一种Ni制造技术

一种Ni

A Ni2P4O12 nano particle material and its preparation and Application

A Ni2P4O12 nano particle material and a preparation method belong to the technical field of catalyst preparation. The invention of Ni2P4O12 nanoparticles with multilevel nanostructures, network interconnection nanoparticles 5 ~ 10nm nanocrystals modified at about 100nm on the active site provides great this structure for the oxygen evolution reaction in water electrolysis, and facilitates adsorption of water molecules, nano crystal theory research confirmed that the exposed crystal face of water molecular and oxygen intermediates have very low adsorption energy.

【技术实现步骤摘要】
一种Ni2P4O12纳米颗粒材料及其制备方法和应用
本专利技术属于催化剂制备
，具体涉及一种Ni2P4O12纳米颗粒材料及其制备方法，以及在催化析氧反应中的应用。
技术介绍
经济的快速发展所带来的能源与环境问题正日益严重地制约着社会的可持续发展，传统化石能源由于高碳排放等环境问题，使得可代替传统化石能源的清洁可再生能源的研究与开发显得尤为重要。其中，氢气以其无污染、高能量密度、来源丰富等优点成为了最有潜力的清洁能源之一，其制备技术也受到研究工作者的广泛关注。电解水作为最简单成熟的制氢方法，被认为是最适合大规模应用的手段；然而，电解水制氢时，电解水双电极上发生的析氢和析氧反应具有较高的过电势，增加了电解池的能量损耗，同时，贵金属催化电极所带来的高成本也是制约其广泛应用的重要因素。阳极析氧反应作为电解水制氢中的重要反应，其较高的过电势带来的能源损耗成为了电解水中急需解决的瓶颈问题。传统的阳极催化材料都是基于铂系的贵金属材料，例如钌和铱的氧化物及其碳载复合材料，虽然这类材料拥有很好的催化活性，然而贵金属的稀缺性与昂贵的价格却极大地制约了其在商业规模上的可持续性使用。因此，研发成本低廉、高效、低污染的非贵金属基的阳极催化材料是目前亟待解决的问题。Cui等(EnergyEnviron.Sci.2015,8,1719)报道了一种电化学脱锂调控磷酸铁锂类材料及其析氧活性，其中，电化学脱锂法需要对电池进行封装与拆解，操作过程复杂；Bao等(ACSAppl.Mater.Interface2016,8,22534)报道了一种碳层包覆的Co2P2O7纳米晶，具有较好的催化活性与稳定性，然而在制备过程中聚合物分解得到碳层需要很高的退火问题(750℃)，增加了成本。另外，上述制备的催化材料均为粉末状，需旋涂于基底上形成电极，增加了时间成本与工艺复杂度。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
存在的缺陷，提出了一种Ni2P4O12纳米颗粒材料及其制备方法。本专利技术提供的负载Ni2P4O12纳米颗粒的电极在电解水的氧析出反应中表现出很好的催化活性和催化稳定性，且工艺简单，成本低，易于实现大规模生产。本专利技术的技术方案如下：一种Ni2P4O12纳米颗粒材料，其特征在于，所述Ni2P4O12纳米颗粒材料具有多级结构，由5～10nm的纳米晶修饰于网络状互联的纳米颗粒上形成。一种Ni2P4O12纳米颗粒材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将Ni源和过硫酸盐按照摩尔比为(3～4)：1的比例加入去离子水中，混合均匀，得到混合液A，然后向混合液A中加入氨水，得到混合液B；其中，Ni源的浓度为0.2～0.3mol/L，混合液A与氨水的体积比为(10～20):1；步骤2：将导电基底放入步骤1配制的混合液B中，静置15～20min用于Ni(OH)2纳米片前驱体的生长，然后取出清洗，自然晾干；步骤3：将步骤2得到的负载有Ni(OH)2的导电基底放入石英管加热中心，0.1～1g磷源放置于石英管上游区域；步骤4：将石英管内部抽真空至0.1atm以下，再通入惰性气体使管内气压保持常压环境，然后通入载气流；步骤5：以2～8℃/min的升温速率加热石英管，使其加热中心的温度达到280℃～350℃，然后在280℃～350℃温度下保温0～60min，在此过程中Ni(OH)2纳米片反应生成Ni2P4O12纳米颗粒；步骤6：反应结束后，待石英管自然冷却至室温，取出导电基底，即可在导电基底上得到Ni2P4O12纳米颗粒。进一步地，步骤1所述过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾等。进一步地，步骤1所述Ni源为六水氯化镍、硫酸镍、硝酸镍中的一种或几种。进一步地，步骤2所述导电基底为碳布、泡沫镍等柔性基底，或者FTO等硬质基底。进一步地，步骤3所述磷源为含结晶水的次亚磷酸钠。进一步地，步骤4所述惰性气体为氩气或者氮气，所述载气流为氩气、氮气或者为氩气和氢气的混合气体，所述载气流的流量为20～50sccm。本专利技术还提供了上述Ni2P4O12纳米颗粒作为电解水的阳极材料的应用。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提供了一种Ni2P4O12纳米颗粒材料，具有多级纳米结构，5～10nm的纳米晶修饰于约100nm的网络状互联纳米颗粒上，这种结构为电解水中的氧析出反应提供了极大的活性位点，同时有利于水分子的吸附，理论研究证实暴露的纳米晶的晶面对水分子与氧中间体有很低吸附能。2、本专利技术提供了一种Ni2P4O12纳米颗粒材料的制备方法，通过调节提供的磷源的量和反应时间来调控石英管中的反应环境，从而获得结晶度好、分散性好的Ni2P4O12纳米颗粒。3、本专利技术提供的负载Ni2P4O12纳米颗粒的电极在氧析出反应中表现出很好的催化活性，从电化学极化曲线可以看出负载Ni2P4O12纳米颗粒的电极在析氧反应时仅需280mV就能达到10mAcm-2的电流密度，同时拥有很好的催化稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例1得到的Ni2P4O12纳米颗粒的电子显微镜(SEM)图；图2为本专利技术实施例1得到的Ni2P4O12纳米颗粒与纳米晶两级结构的高分辨透射电镜(HRTEM)图；图3为本专利技术实施例1得到的Ni2P4O12纳米颗粒结构在TEM明暗场下的HAADF表征图，插图为相应的选区电子衍射SAED表征图；图4为本专利技术实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中不同磷源与反应时间下得到的Ni2P4O12材料的X射线衍射(XRD)图谱；图5为本专利技术实施例1得到的Ni2P4O12纳米颗粒材料在1MKOH溶液中的氧析出反应电化学性能表征图；(a)Ni2P4O12(NPO)以及参比材料RuO2、Ni(OH)2和裸碳布(CC)的极化曲线对比；(b)相对应的塔菲尔斜率；图6为本专利技术实施例1得到的负载Ni2P4O12纳米颗粒材料的碳布电极在1MKOH溶液中连续100h的电解稳定性测试曲线；图7为本专利技术实施例1得到的负载Ni2P4O12纳米颗粒材料的碳布电极在1MKOH溶液中连续电解100h后的SEM图。具体实施方式下面结合附图和实施例，详述本专利技术的技术方案。实施例1一种Ni2P4O12纳米颗粒材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将六水氯化镍和过硫酸铵按照摩尔比为4：1的比例加入去离子水中，超声混合均匀，得到混合液A，然后向混合液A中加入氨水，得到混合液B；其中，Ni源的浓度为0.25mol/L，混合液A与氨水的体积比为16:1；步骤2：将碳布放入步骤1配制的混合液B中，静置20min用于Ni(OH)2纳米片前驱体的生长，然后取出清洗，自然晾干；步骤3：将步骤2得到的负载有Ni(OH)2的碳布放入石英管加热中心，1g含结晶水的次亚磷酸钠放置于石英管上游区域，距离加热中心15cm；步骤4：将石英管内部抽真空至0.1atm以下，再通入Ar气使管内气压保持常压环境，重复“抽真空、通氩气”的过程3次，然后通入Ar和H2的混合气体(混合气体中氩、氢原子比为95:5，混合气体的流量为20sccm)作为载气流，使管内气压保持常压环境；步骤5：以3℃/min的升温速率加热石英管，使其加热中心的温度达到300℃，然后在300℃温度下保温30min，在此过程中Ni(OH)2纳米片反应生成Ni2P4O12纳米颗粒；步骤6：反应结束后，待石英管自然冷却至室温，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ni2P4O12纳米颗粒材料，其特征在于，所述Ni2P4O12纳米颗粒材料具有多级结构，由5～10nm的纳米晶修饰于网络状互联的纳米颗粒上形成。

【技术特征摘要】
1.一种Ni2P4O12纳米颗粒材料，其特征在于，所述Ni2P4O12纳米颗粒材料具有多级结构，由5～10nm的纳米晶修饰于网络状互联的纳米颗粒上形成。2.一种Ni2P4O12纳米颗粒材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将Ni源和过硫酸盐按照摩尔比为(3～4)：1的比例加入去离子水中，混合均匀，得到混合液A，然后向混合液A中加入氨水，得到混合液B；其中，Ni源的浓度为0.2～0.3mol/L，混合液A与氨水的体积比为(10～20):1；步骤2：将导电基底放入步骤1配制的混合液B中，静置15～20min，然后取出清洗，自然晾干；步骤3：将步骤2得到的导电基底放入石英管加热中心，0.1～1g磷源放置于石英管上游区域；步骤4：将石英管内部抽真空至0.1atm以下，再通入惰性气体使管内气压保持常压环境，然后通入载气流；步骤5：以2～8℃/min的升温速率加热石英管，使其加热中心的温度达到280℃～350℃，然后在280℃～350℃温度下保温0～60min；步骤6：反应结束后，待石英管自然冷却至室温，取...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊杰，李岚，黄建文，邬春阳，胡凯，杜新川，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51