[發明專利]一種三維結構的NiWP電催化劑材料制備及應用

有效

• 申請號: 201710326446.7
• 申請日: 2017-05-10
• 公開（公告）號: CN107081163B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 范愛玲;竇菊芳;李偉田;楊詩綦
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B01J27/185
• 分類號: B01J27/185;B01J27/188;C25B1/04;C25B11/06;C25D3/56
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種三維結構的NiWP電催化劑材料制備及應用，屬于清潔能源材料技術領域。首先將泡沫金屬(陰極基體材料)和純鎳片(陽極材料)經預處理去除表面氧化物及雜質；鎳鹽和鎢鹽按比例分別加入蒸餾水，在磁力攪拌器中溶解均勻，將絡合劑加入含鎢鹽溶液中攪拌溶解，將以上兩種溶液混合后再加入磷鹽攪拌均勻，最后用硫酸和氨水調節鍍液的pH值；采用直流穩壓電源，在一定的電流密度和溫度下進行電沉積，沉積一定時間后用去離子水清洗試樣表面，室溫下干燥得到三維結構的NiWP電催化劑。用此方法制備的電催化劑對經電化學測試可有效降低水電解析氫反應和析氧反應的過電勢，且具有良好的循環穩定性。工藝步驟簡單易操作，具有良好的應用前景。

技術領域：

本發明提供了一種三維結構的NiWP雙功能電催化劑材料制備技術，屬于清潔能源制備技術領域。

背景技術：

近幾年來，隨著環境污染的加劇和人類對非可再生資源認識的加深，為了緩解日益嚴峻的環境問題，人類急需尋求一種更清潔、更廉價、更方便和更有效的能源供給方式。氫氣作為21世紀最理想的清潔能源，逐漸引起全球科學家的關注。電解水技術基于電化學分解水的原理，利用可再生電能或太陽能驅動水分解為氫氣和氧氣，被認為是最有前途和可持續性的產氫途徑。然而，電解水制氫技術需要高活性、高穩定性的氫析出和氧析出催化劑使電解反應經濟節能。在電解水析氫反應(HER)中，Pt系金屬是最好的催化劑，陽極析氧反應(OER)對氧化銥、氧化釕也具有高度依賴性(鉑、銥、釕均屬于貴金屬)，但因地殼儲量稀少和高成本限制了其大規模的應用，故制備高催化效能的非貴金屬電催化劑勢在必行。

目前非貴金屬電催化劑的研究主要集中在二元磷化物，雖然價格低廉但催化性能不如Pt系金屬好。有研究表明，在二元金屬磷化物(Ni-P,Co-P)中引入第三種金屬元素可以調節材料的晶體和電子結構，因此提高其電催化性能。

合金化過程是一種有效的方法去探索多相催化劑潛在的功能，以及協調它們的表面特性，如電子結構、協同耦合效應和潤濕性等，從而實現高效率和長期穩定性的雙贏。在二元磷化鎳中引入第三種金屬可以改變催化劑表面結構，獲得更多的催化活性位點；小孔徑的泡沫金屬三維結構有利于增大沉積層的比表面積，加快催化劑和電極之間的電子轉移，因此提高催化劑的催化性能。泡沫銅具有良好的導電性，泡沫鎳有利于增大沉積層比表面積，制備過程中分別以泡沫銅和泡沫鎳為基底以獲得不同的表面結構，對沉積層的不同形貌做對比研究。

本發明的重要創新是以三維泡沫鎳和泡沫銅為基底通過電沉積一步法制備雙功能的NiWP電催化劑，經電化學測試在堿性電解質中該催化劑對析氫和析氧反應均有較小的過電位和塔菲爾斜率，具有較好的催化性能；經穩定性測試表明具有較好的穩定性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種三維結構的非貴金屬NiWP雙功能電催化劑的方法，其核心技術創新是通過設計鍍液中各組分濃度和控制電沉積工藝參數一步法制備具有最優Ni/W比的電催化材料，使得在堿性電解質中該催化劑對析氫和析氧反應均有較小的過電位和塔菲爾斜率，具有較好的催化性能；經穩定性測試表明具有較好的穩定性。該方法具有工藝操作簡單，過程易控制，環境友好等優點。

本發明的技術方案，包括以下步驟：

(1)將泡沫金屬基底和純鎳片經預處理去除氧化物及表面雜質；

(2)鎳鹽和鎢鹽分別加入蒸餾水，攪拌溶解均勻；將絡合劑加入到鎢鹽溶液中攪拌溶解；將以上鎢鹽溶液和鎳鹽溶液混合后加入磷鹽攪拌均勻，最后用濃硫酸和氨水調節鍍液的pH值為酸性，優選pH為4-6，進一步優選pH為5，得到渡液；

(3)將步驟(1)基底作為陰極，純鎳片作為陽極，采用直流穩壓電源，在一定的電流密度和沉積溫度下進行電沉積過程，電沉積一段時間后用去離子水清洗試樣表面，室溫下干燥得到三維結構的NiWP電催化劑；然后進行電化學測試。