[发明专利]一种异质结丰富的CoNiP-P纳米催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种异质结丰富的CoNiP‑P纳米催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)将钴源、镍源和磷源添加至去离子水中，配制成电解液，随后在室温下超声，将电解液倒入电解池中；2)将泡沫镍裁切成片浸泡在稀盐酸溶液中并超声，随后分别用去离子水和无水乙醇清洗，烘干；3)电沉积制备生长有CoNiP前驱体；4)制备CoNiP‑P纳米催化剂。本发明所制备得到的CoNiP‑P催化剂在电解水的析氢和析氧反应催化中均表现出优良的催化活性。

技术领域

本发明属于本发明属于催化剂制备领域，尤其是涉及一种异质结丰富的CoNiP-P纳米催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

随着经济的迅速发展，化石能源的大量使用带来严重的环境问题，同时面临未来能源枯竭问题，寻找可代替的，清洁的可再生能源迫在眉睫。氢能是一种十分具有潜力的可再生能源，其燃烧产物为无污染的水，因此是一种十分清洁的能源，是未来新能源的重要发展方向，目前工业制氢主要为天然气蒸汽转化，轻油蒸汽转化和水煤气制氢，均依托于传统化石能源。与之形成对比的是电解水制氢，电解水制氢以水作为原料，通过电解法制备氢气，完全摆脱传统化石燃料的束缚，原料丰富且过程中不产生污染，并可充分与风能，地热能，潮汐能等可再生能源相结合，是未来大规模制氢最有前途的方式。

然而，基于电解水过程中缓慢的动力学过程，尤其是阳极析氧反应涉及复杂的电子-质子耦合反应，缓慢的速率控制步骤，造成过高的电解电位，成为电解水制氢商业化发展的巨大瓶颈。贵金属及其氧化物RuO₂/IrO₂以及Pt/C分别是性能优越的OER和HER催化剂，令人遗憾的是，贵金属元素Ru、Ir和Pt的稀缺性和高成本，以及不尽人意的电化学稳定性限制了其应用。为了减少贵金属元素的使用，降低催化剂成本，以及提高催化剂稳定性，近年来，过渡金属基催化剂在电解水中的应用受到人们的大量关注，如过渡金属的氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物、磷化物，以及层状双氢氧化物等。最近的研究表明，过渡金属磷化物是十分具有潜力的OER和HER双功能催化剂，如何通过界面工程调控电子结构，从而进一步提高其双功能催化性能，成为过渡金属磷化物催化剂发展面临的挑战。

目前，现有国内外发明专利中关于过渡金属基催化剂大部分致力于单纯OER或HER催化，关于双功能催化剂的研究和应用相对较少，此外，大部分过渡金属基双功能催化剂的设计和制备强调三维复合结构的构建，对于异质界面，尤其是晶态/非晶态异质界面的研究较少，本发明通过两步法构建了具有丰富晶态/非晶态异质界面的CoNiP-P双功能电催化剂，基于异质界面的形成促使高活性位点的暴露，CoNiP-P在OER和HER催化中均表现出优异的性能，用于全解水时，在1.0M KOH溶液中，仅需1.565V即可驱动10mA cm^-2的电流密度，优于大部分过渡金属基双功能电催化剂。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种异质结丰富的CoNiP-P纳米催化剂的制备方法；本发明通过电沉积法和低温掺杂两步合成了CoNiP-P纳米催化剂，基于两步磷化过程磷的不同掺杂方式，CoNiP-P纳米催化剂形成了大量晶态/非晶态异质界面，赋予了催化剂优秀的OER、HER双功能催化活性。

本发明要解决的第二个技术问题是上述方法制得的异质结丰富的CoNiP-P纳米催化剂在电解水制氢中的应用。

为解决上述第一个技术问题，发明采用如下的技术方案：

一种异质结丰富的CoNiP-P纳米催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将钴源、镍源和磷源添加至去离子水中，配制成电解液，随后在室温下超声，将电解液倒入电解池中；

2)将泡沫镍裁切成片浸泡在稀盐酸溶液中并超声，随后分别用去离子水和无水乙醇清洗2-4次，烘干；