[發(fā)明專利]一種多層級金屬磷化物及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010851648.5
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN112044458B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張京濤;張珍;曾冬妮;陳穎
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B01J27/185
• 分類號: B01J27/185;B01J37/34;B01J37/10;C25B11/073;C25B11/054;C25B11/052;C25B11/031;C25B1/04
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 陳娟

本發(fā)明涉及一種多層級金屬磷化物及其制備方法和應(yīng)用。該多層級金屬磷化物，包括金屬泡沫骨架和金屬泡沫骨架表面覆蓋的金屬磷化物；金屬泡沫骨架間分布有平均孔徑為50～500μm的貫穿大孔，金屬泡沫骨架表面分布有10～100μm的大孔；所述金屬磷化物為磷化鈷或鐵鈷雙金屬磷化物；所述金屬磷化物呈類似編織袋的片線結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的多層級金屬磷化物在堿性條件下同時具有優(yōu)秀的催化析氫反應(yīng)和催化析氧反應(yīng)的性能，從而可以作為雙功能電催化劑，同時做為陰極和陽極催化電化學(xué)水分解反應(yīng)；且對析氫反應(yīng)、析氧反應(yīng)和電化學(xué)水分解均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電催化材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多層級金屬磷化物及其制備方法和應(yīng)用。

技術(shù)背景

在過去的一個世紀(jì)里，能源的大量消耗為人類帶來了大量的財(cái)富，促進(jìn)了人口的發(fā)展。其中80％的能源來自于傳統(tǒng)化石能源(例如：煤、石油、天然氣等)，人類對化石能源的嚴(yán)重依賴導(dǎo)致化石能源逐漸枯竭，同時產(chǎn)生了大量環(huán)境問題(例如：溫室效應(yīng)、酸雨、空氣污染等)。因此尋找清潔、可再生、可持續(xù)的新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源成了全人類必須共同面對的挑戰(zhàn)。氫能是一種重要的且具有發(fā)展前景的清潔能源，在目前發(fā)展起來的清潔能源(例如：太陽能、風(fēng)能、潮汐能等)中是關(guān)注度最高的新能源之一。氫能具有儲量豐富、來源廣泛、能量密度高、燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點(diǎn)，可以直接用于燃料電池，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。目前，大約96％的氫氣年產(chǎn)量主要通過化石能源加工制得，比如甲烷蒸汽重整、煤氣化等，該過程不僅產(chǎn)生大量的二氧化碳，而且還消耗不可再生的化石燃料。相比之下，電催化分解水制氫代表了一種清潔，可持續(xù)的氫氣生產(chǎn)方法。

電催化分解水包括了陰極析氫反應(yīng)和陽極析氧反應(yīng)，理論上電催化分解水僅需要1.23V的電位，但是由于兩電極的極化反應(yīng)、溶液電阻、歐姆電阻的存在，使得實(shí)際加載在電解池兩端的電位達(dá)到1.8～2V。為了降低電解水的外加電能，提高電解水的效率，除了優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)降低歐姆電阻外，還需要研究高性能的電催化劑來降低兩電極極化反應(yīng)所帶來的過電位。目前貴金屬催化劑仍然是最優(yōu)異的電催化劑材料(最好的析氫催化劑是鉑，最好的析氧催化劑是二氧化釕和銥)，但是由于其價格昂貴，豐度低的特點(diǎn)無法長期廣泛應(yīng)用。因此需要研發(fā)高性能、低成本的非貴金屬催化劑，目前研究較多的過渡金屬磷化物具有較好的析氫催化活性(Du H T,Kong R M,Guo X X,et al.Recent progress in transitionmetal phosphides with enhanced electrocatalysis for hydrogen evolution[J].Nanoscale,2018,10(46):21617-21624.)。由于析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理不同，因此在同一種電解液中對析氫反應(yīng)有著優(yōu)異的催化活性的催化劑，對析氧反應(yīng)的催化活性可能較低(Yu J,Le T A,Tran N Q,et al.EarthAbundant Transition-Metal-BasedBifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting in Alkaline Media[J].Chemistry-A European Journal,2020,26(29):6423-6436.)。因此開發(fā)一種在同一電解質(zhì)中對析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)均具有良好催化活性的雙功能電催化劑仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中貴金屬價格昂貴，可替代的具有良好催化活性的雙功能電催化劑的缺乏的缺陷或不足，提供一種多層級金屬磷化物。本發(fā)明提供的多層級金屬磷化物具有多層級結(jié)構(gòu)，金屬磷化物生長在金屬泡沫骨架上；金屬泡沫骨架間的貫穿大孔有利于電解質(zhì)的傳遞和氣體擴(kuò)散，而金屬泡沫骨架上的大孔及表面的呈類似編織袋的片線結(jié)構(gòu)有利于暴露更多的活性位點(diǎn)，提高催化性能，降低電解水的過電位。該具有特殊“編織袋”結(jié)構(gòu)的多層級金屬磷化物可直接用作工作電極，用于堿性條件(pH大于7)的析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)；也可以直接用作陰極和陽極材料進(jìn)行電催化全解水。對析氫反應(yīng)、析氧反應(yīng)和全解水均表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和良好的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述多層級金屬磷化物的制備方法。