[發明專利]一種摻雜磷化鎳鐵基三維超薄納米片材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110295001.3
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113061929B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 孫立;黨瑩;謝振彬;趙冰;孫靖卓;姜兆成;楊芷奇;葉軍;王福洋
• 申請（專利權）人: 齊齊哈爾大學
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;B82Y40/00;C25B1/04
• 代理公司: 哈爾濱市文洋專利代理事務所(普通合伙) 23210
• 代理人: 王艷萍

一種摻雜磷化鎳鐵基三維超薄納米片材料及其制備方法和應用，它涉及摻雜磷化鎳鐵基納米材料及其制備方法和應用。它是解決現有的催化劑過電位大、電子轉換效率差和在相同電解液中很難匹配的技術問題。本發明的摻雜磷化鎳鐵基三維超薄納米片材料由泡沫鎳和原位生長在泡沫鎳上的摻雜磷化鎳鐵基三維超薄納米片組成。制法：將鐵源、摻雜金屬源、堿源制備成混合液，轉移到反應釜中，再將泡沫鎳放入釜中進行溶劑熱反應，得到前驅體；前驅體經磷化處理即得。該材料在HER反應中，10mA cm^?2下的過電位低至47mV；在OER反應中，50mA cm^?2下的過電位低至259mV。可用于電催化析氫、析氧或全解水領域。

技術領域

本發明涉及摻雜磷化鎳鐵基納米材料及其制備方法和應用。

背景技術

能源與環境是人類永恒的主題。目前，氫能被認為是解決未來能源危機和減少環境污染最有潛力的候選之一。在眾多氫能的制備方法中，電催化分解水為制備清潔又高效的氫能提供了最有效的途徑。電催化分解水包括兩個半反應：陰極析氫反應(HER)和陽極析氧反應(OER)，然而電催化劑在HER和OER反應中活性的不一致使其在相同電解液中很難匹配，并且過電位也較高，這些都嚴重制約了電催化分解水制氫技術的工業化進展。因此，尋找高活性、低成本和雙功能的非貴金屬催化劑具有非常重要的現實意義。

近年來，過渡金屬磷化物因其價格低廉、導電性優良、抗腐蝕性強等特點，在電催化分解水方面引起了人們的廣泛關注。在析氫反應中，發現P元素可以作為羥基受體吸附OH^-，過渡金屬吸附氫質子，通過過渡金屬和P的協同作用，有效加速堿性電解質中水分子的O-H鍵斷裂，從而提升HER活性；在析氧反應中，過渡金屬磷化物表面會形成金屬-氧/羥基活性相，內部未氧化的過渡金屬磷化物具有很好的導電性，可以使反應中的電子快速的向催化活性相轉移，進而提高OER的電催化活性。但是過渡金屬磷化物結構在反應過程中容易團聚，并且形貌不是十分規則，這使得活性位點無法很好的暴露，從而限制了性能的進一步提高。針對上述問題，人們采用金屬元素摻雜的方式調控過渡金屬磷化物的電子結構和材料形貌，以達到提高材料性能的目的。例如Sun課題組在《先進功能材料》(Adv.Funct.Mater.)2017年的37期27卷1702513頁上的文章《3D自支撐鐵摻雜磷化而鎳陣列作為全解水雙功能催化劑》(3D Self-Supported Fe-Doped Ni₂P Nanosheet Arrays as BifunctionalCatalysts for Overall Water Splitting)通過水熱磷化法合成出片層狀Fe-摻雜Ni₂P電催化劑，其表現出優異的電催化性能，在HER反應中，10mA cm^-2下的過電位可低至為84mV，在OER反應中，50mA cm^-2下的過電位可低至為230mV；Fu課題組在《能源技術》(EnergyTechnol)2020年的1期8卷1901079頁上的文章《鋅摻雜多孔CoNiP納米片陣列作為有效和穩定的雙功能催化劑應用于全解水》(Zn-Doped Porous CoNiP Nanosheet Arrays asEfficient and Stable Bifunctional Electrocatalysts for Overall WaterSplitting)合成的多孔Zn摻雜-多孔納米線片陣列擁有優異的OER和HER性能，在電流密度達到100mA cm^-2時，HER反應的過電位為177mV，OER反應的過電位為396mV；Pan課題組在《電化學學報》(Electrochimica Acta)2020年的第339卷115933頁上的文章《自支撐鋅摻雜CoNiP微球/刺分級結構作為有效的雙功能催化劑應用于全解水》(The self-supportedZn-doped CoNiP microsphere/thorn hierarchical structures as efficientbifunctional catalysts for water splitting)在制備NiCoP納米棒陣列的過程中引入鋅源，制備了Zn摻雜的NiCoP納米棒陣列，電化學測試表明，電流密度達到10mA cm^-2時，該催化劑HER反應的過電位僅為34mV，在50mA cm^-2時OER反應的過電位僅為310mV，優于未摻雜的NiCoP納米棒陣列的催化活性。以上工作是針對通過金屬摻雜對金屬磷化物電催化分解水性能提升的改進。這些工作所合成的電催化劑雖然從一定程度上提升了其電催化性能，但是仍然不能從本質上解決陰陽極在相同電解液中很難匹配等問題。