[发明专利]一种硫磷共掺杂自支撑NiFe-MOFs衍生物材料及其应用

说明书

本发明公开了一种硫磷共掺杂自支撑NiFe‑MOFs衍生物材料及其应用。本发明采用分步水热‑硫化‑磷化的合成策略，实现了硫磷共掺杂的以泡沫镍铁(铁质量百分含量为40％)为基底的具有“棒簇”形貌暴露多活性位点的自支撑NiFe‑MOFs从而形成的具有“混合微米球”形貌的NiFe‑MOFs衍生物阳极材料的制备。得益于泡沫镍铁的多孔性与稳定性、镍铁之间的协同作用等，使得该衍生物阳极材料在海水电解析氧反应中表现出了较高的活性。该阳极材料在催化海水电解析氧反应时过电位低，活性高，并且制备过程简单，所用到的设备简单易得，可重复性高，适合工业大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种硫磷共掺杂自支撑NiFe-MOFs衍生物材料及其应用；具体涉及一种硫磷共掺杂具有“棒簇”形貌暴露多活性位点的自支撑NiFe-MOFs从而形成的具有“混合微米球”形貌的NiFe-MOFs衍生物阳极材料及其应用。

背景技术

随着人们对环境污染及能源危机的不断重视与关注，越来越多的学者展开了对清洁能源的探索，清洁能源的利用与开发是目前关注的重点，如何提高效率与安全性，实现高成本效益和可持续性发展成为当今研究的主题。在众多的可再生能源中，风能、水能、地热能、太阳能和生物质能是最丰富的能源。水是一种充足的自然资源，其约占地球表面的71％。其中，海水占地球全部水量的96.5％，氢能是地球上已知的能量密度最高的，且氢气燃烧时又生成了水，可以实现循环的同时不排放二氧化碳等其他气体，可以有效的缓解全球变暖问题，具有替代化石能源实现可持续发展的应用前景。水的电解主要包括析氢反应(HER)和析氧反应(OER)，其中，OER反应伴随着4电子的转移，其缓慢的动力学过程制约了反应效率的提升，使得OER反应过程具有较高的过电势。因此开发具有高OER反应活性、高稳定性、经济的催化剂具有重要意义。海水电解与淡水电解的原理基本相同，但是海水中氯离子浓度较高，在电解水的过程中会发生氯离子竞争反应，生成次氯酸根等腐蚀性强的物质，加速电解水器件的腐蚀，因此还要求材料具有耐腐蚀性。

贵金属如RuO₂和IrO₂具有较高的OER活性，但其高昂的价格不利于其被广泛应用，而过渡金属如Ni由于价格低廉、储量丰富，易于修饰与改性受到广泛关注与研究。与此同时，金属有机骨架(MOF)以其周期性排列、非饱和配位活性中心和超高比表面积等优点在OER领域也备受关注。近年来，大多学者研究的为碱性环境下的电解水反应，这就使得MOF基OER电催化剂的催化活性相大多为过渡金属基氢氧化物(MOOH/M(OH)_x,M＝Fe,Co,Ni等)。这类MOOH/M(OH)_x由于其固有的层状结构和丰富的活性位点而被认为是最有效的电催化剂之一。而双金属MOF则是利用了金属之间协同作用，以及MOF的多孔，和配位缺陷来提高OER反应活性，降低过电势。而海水电解过程中，可通过掺入S或P元素来防止Cl^-1的竞争吸附，减缓腐蚀。目前尚未见有硫磷共掺杂自支撑NiFe-MOFs衍生物材料、制备及其应用。

发明内容

本发明的目的在于解决海水电解活性与稳定性差，金属活性位点数量暴露低的难题；提供一种硫磷共掺杂具有“棒簇”形貌暴露多活性位点的NiFe-MOFs，从而形成具有“混合微米球”形貌的NiFe-MOFs衍生物阳极材料及其应用。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明涉及一种硫磷共掺杂自支撑NiFe-MOFs衍生物材料；所述衍生物材料采用分步水热-硫化-磷化的方法制备，首先通过一步水热法形成暴露多活性位点的具有“棒簇”形貌NiFe-MOFs/NIF材料，后经过水热硫化制备出具有“微米球”形貌的硫化MOFs衍生物材料即NiFe-MOFs-S/NIF材料，最后经过磷化形成具有“混合微米球”形貌的硫磷共掺杂的自支撑NiFe-MOFs衍生物材料即NiFe-MOFs-S_xP_y/NIF。