[发明专利]一种掺杂磷化镍铁基三维超薄纳米片材料及其制备方法和应用

说明书

一种掺杂磷化镍铁基三维超薄纳米片材料及其制备方法和应用，它涉及掺杂磷化镍铁基纳米材料及其制备方法和应用。它是解决现有的催化剂过电位大、电子转换效率差和在相同电解液中很难匹配的技术问题。本发明的掺杂磷化镍铁基三维超薄纳米片材料由泡沫镍和原位生长在泡沫镍上的掺杂磷化镍铁基三维超薄纳米片组成。制法：将铁源、掺杂金属源、碱源制备成混合液，转移到反应釜中，再将泡沫镍放入釜中进行溶剂热反应，得到前驱体；前驱体经磷化处理即得。该材料在HER反应中，10mA cm^‑2下的过电位低至47mV；在OER反应中，50mA cm^‑2下的过电位低至259mV。可用于电催化析氢、析氧或全解水领域。

技术领域

本发明涉及掺杂磷化镍铁基纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源与环境是人类永恒的主题。目前，氢能被认为是解决未来能源危机和减少环境污染最有潜力的候选之一。在众多氢能的制备方法中，电催化分解水为制备清洁又高效的氢能提供了最有效的途径。电催化分解水包括两个半反应：阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)，然而电催化剂在HER和OER反应中活性的不一致使其在相同电解液中很难匹配，并且过电位也较高，这些都严重制约了电催化分解水制氢技术的工业化进展。因此，寻找高活性、低成本和双功能的非贵金属催化剂具有非常重要的现实意义。

近年来，过渡金属磷化物因其价格低廉、导电性优良、抗腐蚀性强等特点，在电催化分解水方面引起了人们的广泛关注。在析氢反应中，发现P元素可以作为羟基受体吸附OH^-，过渡金属吸附氢质子，通过过渡金属和P的协同作用，有效加速碱性电解质中水分子的O-H键断裂，从而提升HER活性；在析氧反应中，过渡金属磷化物表面会形成金属-氧/羟基活性相，内部未氧化的过渡金属磷化物具有很好的导电性，可以使反应中的电子快速的向催化活性相转移，进而提高OER的电催化活性。但是过渡金属磷化物结构在反应过程中容易团聚，并且形貌不是十分规则，这使得活性位点无法很好的暴露，从而限制了性能的进一步提高。针对上述问题，人们采用金属元素掺杂的方式调控过渡金属磷化物的电子结构和材料形貌，以达到提高材料性能的目的。例如Sun课题组在《先进功能材料》(Adv.Funct.Mater.)2017年的37期27卷1702513页上的文章《3D自支撑铁掺杂磷化而镍阵列作为全解水双功能催化剂》(3D Self-Supported Fe-Doped Ni₂P Nanosheet Arrays as BifunctionalCatalysts for Overall Water Splitting)通过水热磷化法合成出片层状Fe-掺杂Ni₂P电催化剂，其表现出优异的电催化性能，在HER反应中，10mA cm^-2下的过电位可低至为84mV，在OER反应中，50mA cm^-2下的过电位可低至为230mV；Fu课题组在《能源技术》(EnergyTechnol)2020年的1期8卷1901079页上的文章《锌掺杂多孔CoNiP纳米片阵列作为有效和稳定的双功能催化剂应用于全解水》(Zn-Doped Porous CoNiP Nanosheet Arrays asEfficient and Stable Bifunctional Electrocatalysts for Overall WaterSplitting)合成的多孔Zn掺杂-多孔纳米线片阵列拥有优异的OER和HER性能，在电流密度达到100mA cm^-2时，HER反应的过电位为177mV，OER反应的过电位为396mV；Pan课题组在《电化学学报》(Electrochimica Acta)2020年的第339卷115933页上的文章《自支撑锌掺杂CoNiP微球/刺分级结构作为有效的双功能催化剂应用于全解水》(The self-supportedZn-doped CoNiP microsphere/thorn hierarchical structures as efficientbifunctional catalysts for water splitting)在制备NiCoP纳米棒阵列的过程中引入锌源，制备了Zn掺杂的NiCoP纳米棒阵列，电化学测试表明，电流密度达到10mA cm^-2时，该催化剂HER反应的过电位仅为34mV，在50mA cm^-2时OER反应的过电位仅为310mV，优于未掺杂的NiCoP纳米棒阵列的催化活性。以上工作是针对通过金属掺杂对金属磷化物电催化分解水性能提升的改进。这些工作所合成的电催化剂虽然从一定程度上提升了其电催化性能，但是仍然不能从本质上解决阴阳极在相同电解液中很难匹配等问题。