[发明专利]一种镍纳米线阵列电极的制备方法及其作为电化学析氧活性材料的应用

说明书

一种镍纳米线阵列电极的制备方法及其作为电化学析氧活性材料的应用涉及电化学析氧领域。首先结合深反应离子刻蚀技术和电镀法制备高比表面积的镍纳米线阵列电极；其次在镍纳米线阵列电极基底上修饰能够强化或激发其催化活性的掺杂金属原子(Fe、Co、Mo)，制备得到各类复合材料电催化剂，进而强化镍纳米线阵列电极的催化活性；最后深入表征所得材料的晶体微结构并测试其电催化析氧性能，探究镍纳米线阵列电极作为高效电化学析氧活性材料的应用。通过该方法制备的镍纳米线阵列电极具有高比表面积及优良的响应信号，表现出较好的电催化析氧活性和稳定性，此项发明将为设计构筑稳定高效的电催化析氧活性材料提供直接的科学依据和技术手段。

技术领域

本发明涉及一种镍纳米线阵列(以下简称Ni-NG)电极制备及修饰的方法，并将所得Ni-NG电极材料应用于电催化领域，尤其涉及电化学析氧领域。

背景技术

随着传统化石燃料的日渐枯竭，以及日益严重的环境污染问题，开发廉价高效的电催化析氧(OER)活性材料对发展电化学制氢、CO₂还原等清洁能源技术至关重要。通常情况下，贵金属基材料，氧化铱/氧化钌(IrO₂/RuO₂)是最具活性OER催化剂。但由于价格昂贵且资源稀少，大规模部署使用这些材料难以实现。于是，许多研究工作致力于开发相对廉价易得的非贵金属电催化剂。过渡金属(钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)、锰(Mn))基钙钛矿结构、尖晶石结构氧化物，层状结构氢氧化物(或羟基氧化物)也被认为是较有潜力的OER催化剂，其中多数材料在碱性反应条件下具有较好的催化性能。

Ni由于价格低廉、元素丰度高、耐腐蚀性强、电导率高，被用作许多与能源有关的关键应用的理想非贵金属电催化剂；由于Ni在周期表中与高活性电催化剂铂(Pt)位于同一周期，Ni基材料的结构和电子参数与Pt相似，对OER具有明显的电催化活性和稳定性；此外，Ni与相邻杂原子之间存在较高的协同效应，这可能导致更好的表面吸附，有助于提高电催化活性。然而，大多数Ni基电催化材料的活性和耐久性仍然远远不能令人满意。研究者认为，电催化性能在很大程度上取决于与反应物直接相互作用的Ni颗粒周围的外层或亚层原子的化学结构以及表面形貌，这可以提供大量的活性位点。为了获得更好的电催化性能，Ni-NG电极具有高比表面积及优良的响应信号，能显著提高电催化效率，因而在电催化研究中受到了广泛关注。

在电催化OER过程中，Ni-NG电极的电催化OER活性还不够高，引入过渡金属原子可使Ni-NG电极界面具有良好的OER催化活性。一些研究工作指出，通过特定的过渡金属元素掺杂，对Ni-NG电极结构改性，以改变其表面电子结构特征，可以使Ni-NG电极界面具有良好的OER电催化活性。Pettersson等对此类研究进行了系统深入的理论探索，并揭示了一系列重要信息。第一，引入过渡金属原子的类型，价态和浓度对Ni-NG电极界面的OER催化性能起重要影响；第二，一些限域金属原子(如Fe和Co)不仅是直接的反应活性位点，其更是可以起到调节周边Ni-NG电极界面电子结构的作用，以此激活其周围Ni原子催化活性，是间接活性中心。

结合以上现状，本发明针对Ni基催化剂在电催化OER过程中催化活性低和耐久性不足等问题，旨在通过优化Ni基催化剂的组成和结构，提高其电催化OER性能。

发明内容

本发明首先采用电镀法制备高比表面积的Ni-NG电极，其次在Ni-NG电极基底上引入能够强化或激发其催化活性的掺杂金属原子(Fe、Co、Mo)，制备得到Ni-NG-Fe、Ni-NG-Co、Ni-NG-Mo各类复合材料电催化剂强化Ni-NG电极催化活性，最后通过多种结构表征和催化性能测试，探究Ni-NG电极作为高效电化学析氧活性材料的应用。本发明具体技术方案如下：

(1)硅模板的制备：利用深反应离子刻蚀技术制备硅纳米线阵列电极结构作为模板，此刻蚀工艺(以下简称Bosch工艺)基于连续的钝化和刻蚀循环，反应器压力为90-95mTorr，射频等离子体功率设置为400-500W，采用连续70-80个刻蚀循环；