[發明專利]一種磷化物/二元金屬氮化物納米多孔異質結電催化劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210410824.0
• 申請日: 2022-04-19
• 公開（公告）號: CN114808012A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 廖禮玲;周海青;趙洋;李東陽;余芳
• 申請（專利權）人: 湖南師范大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/031;C25B1/04;C01B25/08;C01B21/00
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 段紅玉

本發明提供了一種磷化物/二元金屬氮化物納米多孔異質結電催化劑及其制備方法和應用，其以優異的析氧催化劑鎳鐵雙氫氧化物為載體，通過巧妙構建復合異質結的方法，制備強大的三功能析氫、析氧、尿素氧化電催化劑；制備方法包括以下步驟：(1)將水熱生長的鎳鐵層狀雙金屬氫氧化物導電基底進行熱氮化處理，得到NiFeN/泡沫導電基底復合材料；(2)將NiFeN/泡沫導電基底復合材料浸泡于修飾前軀體鈷離子溶液中，取出晾干；(3)將得到的復合材料進行高溫磷化處理，即可。本發明制備得到的納米多孔異質結電催化劑兼具高效析氫、析氧、有機小分子尿素氧化三種功能，可以在大電流密度下保持長時間穩定性，達到工業制氫的基本條件。

技術領域

本發明屬于電催化材料技術領域，尤其涉及一種磷化物/二元金屬氮化物納米多孔異質結電催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

人們對石油、天然氣、煤等化石燃料的過度開發與利用，不僅造成如今全球不可再生能源短缺的局面，同時對自然環境造成不可逆的影響。為應對能源危機，迫切需要人們著眼于尋找可替代傳統化石燃料的可再生清潔能源。為此，風能、太陽能、潮汐能、地熱能等形式的可再生能源是比較理想的選擇，但是這些可再生能源受自然環境影響大，不可控性以及間歇性成為其一大發展難題。因此，可以利用可再生能源發電的電能以化學成鍵的方式氫能存在，而綠色、無污染、可循環利用、可控性的可再生能源—氫能源被認為是目前公認的低碳、零污染清潔能源。

氫氣兼備導熱性好(比大多數氣體的導熱系數高出10倍)、高熱值(142.351kJ/kg)、燃燒后產物只有水、可回收利用、減少溫室效應和無毒易運輸等優點。在新型的高能燃料、冶煉金屬、石油精煉以及氨工業等多行業也都具不可替代的地位。迄今，多種制氫途徑(甲烷蒸氣重整、水煤氣法、電解水制氫等)已被研發出來，但考慮到工業效益、清潔環保以及能源資源利用率等問題，導致各種制氫途徑仍有待完善。與甲烷蒸氣重整或水煤氣法相比，電解水制氫技術，例如堿性電解槽、氯堿電解槽、質子交換膜電解槽、固體氧化物電解水制氫、等可更新性強、制氫純度高、清潔環保等，有望成為未來氫氣制取的主流方式，而堿性電解水具有更大的商用潛能，具有更廣闊的發展空間。可以預見，氫能提攜雙碳目標的時代正在向我們悄悄走進。但是，目前限制該技術規模化應用的主要瓶頸是催化劑的活性差、過電位高、導致電能消耗大、制氫成本過高等問題。貴金屬材料(Pt、IrO₂、Ru等)被認為是最有效的析氫、析氧電催化劑，但貴金屬的成本和稀缺性問題阻礙其大規模應用。因此，為降低制氫成本，我們亟需發展高效、穩定的非貴金屬催化劑來代替貴金屬以發展堿性電解水制氫行業。

近年來，人們為了發展電解水制氫技術，已經開發出許多具有優異催化活性的非貴金屬析氫催化劑，例如層狀材料(MoS₂、WS₂等)、過渡金屬磷化物(CoP、FeP、CoPS等)、黃鐵礦型硫族化合物(CoS₂、CoSe₂等)等。但是，大部分非貴金屬催化劑只在酸性環境保持優異的析氫活性，而在堿性環境的析氫活性有待進一步的提升。事實上，相比于酸性環境，工業堿性電解槽制氫技術發展更為成熟、價格更低廉，在我國有更大的應用前景。為此，研究者們花費大量的精力已經探索出能夠用于堿性環境的高效非貴金屬析氧催化劑，主要有過渡金屬(羥基)氧化物、磷化物、硫化物、硒化物和偏磷酸、雙金屬氫氧化物等，但是大部分非貴金屬催化劑的析氫活性很不理想，且研究很少涉及大電流穩定性的研究，難以應用工業化發展。因此，非常有必要研發出堿性環境下高效析氫或兼具優異析氫、析氧活性的非貴金屬催化劑，在堿性環境下實現大電流高效、穩定產氫，這也是堿性電解水制氫技術走向工業應用的現實需求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種磷化物/二元金屬氮化物納米多孔異質結電催化劑及其制備方法和應用，制備得到的異質結電催化劑兼具高效析氫、析氧、有機小分子尿素氧化三種功能，可以在大電流密度下保持長時間穩定性，達到工業制氫的基本條件。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：