[發(fā)明專利]一種磷摻雜的單金屬元素電子結(jié)構(gòu)可調(diào)的雙金屬硒化物電催化劑材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110632502.6
• 申請(qǐng)日: 2021-06-07
• 公開（公告）號(hào): CN113373476B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王建軍;黃遠(yuǎn);桑元華;王書華;劉宏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)深圳研究院;山東大學(xué)
• 主分類號(hào): C25B11/091
• 分類號(hào): C25B11/091;C25B11/031;C25B1/04;C25B11/061;C25B11/054
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 王素平

本發(fā)明提供了一種磷摻雜的單金屬元素電子結(jié)構(gòu)可調(diào)的雙金屬硒化物電催化劑材料及其制備方法與應(yīng)用，所述雙金屬硒化物電催化劑材料是通過在泡沫鎳表面進(jìn)行水熱處理生長出鎳鐵水滑石納米片，之后經(jīng)硒化、磷摻雜得到的，并且本發(fā)明的方法在引入的磷原子能夠在不改變鎳的電子結(jié)構(gòu)的前提下，單獨(dú)調(diào)控金屬元素鐵的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步影響材料的電催化活性，從側(cè)面證明了元素鐵的電子結(jié)構(gòu)對(duì)催化活性的影響極大。此外，本發(fā)明的材料來源廣泛，合成方法簡(jiǎn)便，對(duì)設(shè)備要求低；所得的材料用于電化學(xué)析氧反應(yīng)，兼具超高的穩(wěn)定性和超低的過電位等電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種磷摻雜的單金屬元素電子結(jié)構(gòu)可調(diào)的雙金屬硒化物電催化劑材料及其制備方法與應(yīng)用，屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

利用可再生能源(如風(fēng)能、太陽能，潮汐能等)進(jìn)行電化學(xué)分解水制備氫氣(2H₂O→2H₂+O₂)是一種可持續(xù)的制氫方法，采用該方法制備的氫氣具有清潔無污染，純度高，轉(zhuǎn)換效率高，對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是一種十分有前景的制氫策略。水分解過程可以分為兩個(gè)半反應(yīng)，也就是陽極析氧反應(yīng)(OER)和陰極析氫反應(yīng)(HER)。由于OER過程中涉及到多個(gè)質(zhì)子電子的耦合過程，會(huì)造成OER過程的緩慢動(dòng)力學(xué)速率，成為電解水過程的限速步驟，極大程度上的限制電解水的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這一點(diǎn)，目前研究的主要方向是如何尋找高效的電催化劑來促進(jìn)OER過程的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)高效的電解水。貴金屬釕基催化劑由于具有合適的自由能被認(rèn)為是最先進(jìn)的OER電催化劑，但是貴金屬的稀缺性和高成本會(huì)極大的阻礙它們的實(shí)際應(yīng)用。因此，尋求廉價(jià)、地球豐度高，性能優(yōu)異的析氧反應(yīng)電催化劑是十分迫切的。

近年來，許多文獻(xiàn)報(bào)道材料的電催化性能極大的取決于電子結(jié)構(gòu)。過渡金屬硒化物電催化劑由于具有可調(diào)的電子結(jié)構(gòu)、合適的吸附能、快速的傳質(zhì)過程、良好的導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)在OER方面受到廣泛關(guān)注。特別是雙金屬硒化物電催化劑，由于兩種金屬元素之間的協(xié)同作用，能夠優(yōu)化OER過程的吸附過程，降低反應(yīng)能壘，實(shí)現(xiàn)高效的OER。例如：中國專利文獻(xiàn)CN105597792A提供了一種介孔納米片結(jié)構(gòu)硒化鎳鐵材料及其制備方法和應(yīng)用，其制備方法包括步驟：1)將Ni(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、NH₄F和CO(NH₂)₂溶解在水和乙二醇混合溶液中并攪拌；2)將步驟1)中所得溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加入碳纖維布，浸潤加熱進(jìn)行反應(yīng)，取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫；3)將步驟2)取出的碳纖維布洗滌，烘干；4)將硒粉、NaBH₄溶解在水中并攪拌；5)將步驟4)中所得溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，加入步驟3)烘干后的碳纖維布，加熱進(jìn)行反應(yīng)，取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫；6)將步驟5)中取出的碳纖維布洗滌，烘干；得到支撐在碳纖維布上的介孔納米片結(jié)構(gòu)硒化鎳鐵。但是上述方法合成的硒化鎳鐵催化劑的活性以及穩(wěn)定性較差(在35mA cm^-2的電流密度下過電位高達(dá)255mV，穩(wěn)定性僅為28h)，不能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用。此外碳纖維布的導(dǎo)電性較差，采用碳纖維布作為生長基底暴露的反應(yīng)活性位點(diǎn)也是較少的。

雙金屬硒化物在現(xiàn)階段的研究中存在的一個(gè)難以解決的問題就是無法單獨(dú)調(diào)控某一種金屬元素的電子結(jié)構(gòu)，達(dá)到定向提高材料活性的目的。因此，如何研究雙金屬硒化物中單一金屬元素的電子結(jié)構(gòu)對(duì)OER性能的影響是十分重要且面臨挑戰(zhàn)的。此外，硒化物面臨的另外一個(gè)實(shí)際問題是雖然具有較高的OER活性但其穩(wěn)定性較差，原因是硒化物在OER過程的高電位下會(huì)發(fā)生不可避免的氧化過程，發(fā)生結(jié)構(gòu)和組分的轉(zhuǎn)變，形成相應(yīng)的羥基氧化物，使催化劑催化效率降低甚至是失活。因此，如何在實(shí)現(xiàn)硒化物的高活性的前提下，實(shí)現(xiàn)硒化物的長期穩(wěn)定性也是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。

因此，研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)雙金屬硒化物中單金屬元素電子結(jié)構(gòu)可調(diào)的方法，并且制備兼具高催化活性和高穩(wěn)定性的雙金屬硒化物電催化劑材料是一個(gè)亟待解決的課題。目前，對(duì)于該方面硒化物電催化劑材料的制備和調(diào)控方法還鮮有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容