[发明专利]一类自支撑金属磷化物纳微结构电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学能源材料技术领域，公开了一类自支撑金属磷化物纳微结构电极材料及其制备方法和应用。其步骤如下：(1)将金属盐加入到溶剂中制得混合液A；(2)将磷粉末加入到混合液A中，得到混合液B；(3)将助剂加入到混合液B中，得到混合液C；(4)将混合液C转入反应釜，加入导电基质，加热磷化反应，经洗涤、干燥得到自支撑金属磷化物纳微结构电极材料。本发明制备中，原料丰富廉价、设备和操作简单、磷化温度低、路线短、可控性强，利于大规模工业应用。制得的电极材料在酸性、碱性、中性、天然海水、碱性海水中抗腐蚀性强并具有优异析氢、析氧、氧还原电催化性能，可用于工业大电流密度下全解水，具有优异电催化活性和稳定性。

技术领域

本发明属于电化学能源材料技术领域，涉及到一类自支撑磷化物纳微结构电极材料的制备方法和应用，具体涉及到一类自支撑磷化物纳微结构电极材料、磷化物纳微结构的直接生长方法和该电极材料作为电解水、电池电极材料应用。

背景技术

随着全球能源需求的迅速增长和石油供应的不断减少，先进的清洁和可再生能源转化技术引起越来越多的关注。氢能，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出，其燃烧产物是水，不仅无污染，且可以循环利用，成为未来新能源发展的趋势。电解水析氢由于其绿色环保和可持续的优点，引起人们的广泛关注。但是，电解水分解成氢气和氧气的过程需要大量的电能，目前使用性能最佳的电催化剂是铂和二氧化铱为代表的贵金属催化剂，但其低储量和高成本极大地限制了其大规模应用，因此，开发一种廉价高效的电催化剂电解水制取氢气(HER)和氧气(OER)，是绿氢制造和大规模应用的关键。此外，金属空气电池凭借高的能量密度、低成本、高的安全性等优势，在电网储能、电动车、便携式设备应用前景看好。开发高效氧还原反应(ORR)、析氧(OER)电极材料是可充金属/空气电池发展的关键。因此，开发廉价、高效的电解水和金属/空气电池用电极材料具有广泛的前景和重要的意义。

过渡金属磷化物是兼有金属和半导体性质的一类化合物。过渡金属磷化物因其在不同反应介质与氢的结合能适中，能够形成合适的表面结构作为质子受体和氢化物受体位点，引起人们的极大研究兴趣。同时，过渡金属磷化物具有结构和形貌可调控性强、催化活性高、稳定性好和价格低廉的优点，可以作为优良的电解水制取氢气、氧气及金属/空气电池的电极材料。因此，磷化物被看作是一类有望代替贵金属的很有前景的电极材料(Chem.Soc.Rev.2016,45：1529-1541；J.Mater.Chem.A,2019,7：18674–18707；J.Mater.Chem.A,2017,5,22913–22932)。目前大部分报道的合成磷化物纳微结构的方法通常是通过对纳微结构前驱体进行局部高温磷化的固气反应方式来制备的，通常报道的前驱体都是氧化物、氢氧化物以及他们的混合物，磷的来源主要包括次磷酸钠、次磷酸铵等。然而，目前普遍采用的固气反应方式存在两个难以克服的问题(Chem.Soc.Rev.2016,45：1529-1541；J.Mater.Chem.A,2019,7：18674–18707；J.Mater.Chem.A,2017,5,22913–22932)：一、制备过程释放剧毒的PH₃尾气；二是需要事先制备出纳微结构前驱体，多需要采用模板法制备，其工艺过程复杂，且污染环境。这些问题严重阻碍了磷化物纳微结构的大规模的商业化应用。

因而，有必要提供一种简单易行、安全环保的廉价、直接的过渡金属磷化物纳微结构的制备方法，来满足电解水和金属/空气电池廉价、高效电极材料大规模应用的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一类自支撑磷化物纳微结构电极材料及其制备方法。该方法原料来源广泛、成本低、无需复杂设备、操作简单、工艺路线短、无需高温磷化，可控性强，有利于大规模工业应用；本发明所提供的自支撑磷化物纳微结构电极材料抗腐蚀性强，并具有优异析氢、析氧、氧还原电催化性能，可用于工业大电流密度下全解水，具有优异电催化活性和长期稳定性。

其具体技术方案如下：

一类自支撑金属磷化物纳微结构电极材料的制备方法，包括：