一种非晶态NiFeP过渡金属催化剂、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种非晶态NiFeP过渡金属催化剂、制备方法及应用。所述催化剂用于海水氧或氢析出催化，所述催化剂包括镍铁合金基底和生长于该基底表面的NiFeP纳米棒或NiFeP纳米片。所述制备方法包括：将镍铁合金基底浸入溶解有赤磷单质的有机溶液中，并在100～250℃加热5

【技术实现步骤摘要】
一种非晶态NiFeP过渡金属催化剂、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于电化学领域，更具体地，涉及一种非晶态NiFeP过渡金属催化剂、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]由于能源危机和环境问题的巨大挑战，可再生和清洁能源备受追捧。由于氢气具有高能量密度且无污染，氢被认为是最有前途的清洁能源载体之一。电解水制氢生产氢燃料是其中最具吸引力的可持续技术之一。水电解是经阳极析氧反应(OER)分解为氧气和阴极析氢反应(HER)分解为氢气。目前基于Pt，Ir和Ru的贵金属催化剂材料显示出良好的电化学性能，但其高昂的价格和稀缺性限制了其广泛应用。因此，已经投入了巨大的努力来开发具有丰富含量和低成本的替代品。其中，包括过渡金属的氧化物，硒化物，氮化物等。然而，常规非贵金属催化材料的OER和HER超电势较高，在100mA/cm2的电流密度下需要1.8～2.4V的电解电压，难以实现有效催化。因此，人们迫切需要改进电解水催化剂。
[0003]同时，海水是地球上最丰富的电解质原料，整体海水分解是大规模H2产量商业化的一个有前途的选择。在天然海水中，存在多种离子和细菌/微生物，以及小颗粒物，这些海水中的杂质会严重的毒害催化剂表面导致其活性降低，并且损坏其长期稳定性。同时，海水中大量存在的氯离子会导致催化剂的腐蚀，阻碍了电解海水制氢在实际工业中的应用。因此，为了提升整体的电解效率和降低操作成本，需要开发高性能，低过电位的非贵金属双功能催化剂用于海水电解。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种非晶态NiFeP过渡金属催化剂、制备方法及应用，其目的在于通过控制非晶态NiFeP过渡金属催化剂的成分和表面微观形态，提升催化性能，降低过电位，由此解决目前现有用于海水电解的催化剂催化性能差、过电位高的技术问题。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种非晶态NiFeP过渡金属催化剂，用于海水氧或氢析出催化，所述催化剂包括镍铁合金基底和生长于该基底表面的NiFeP纳米棒或NiFeP纳米片。
[0006]优选地，所述NiFeP纳米棒或所述NiFeP纳米片中P的原子含量x小于或等于10.77％，且x不为零。也就是说，本专利技术提供的所述NiFeP纳米棒或所述NiFeP纳米片的化学式为NiFeP
x
，其中x≤10.77％，且x不为零。
[0007]优选地，所述NiFeP纳米棒长度为150～200nm。
[0008]优选地，所述NiFeP纳米片厚度为1～2nm，长度为100～200nm。
[0009]按照本专利技术的一个方面，提供了一种如上文所述的催化剂的制备方法，所述方法包括：
[0010]将镍铁合金基底浸入溶解有赤磷单质的有机溶液中，并在100～250℃条件下加热
5-7小时，在基底表面原位生成NiFeP纳米棒，洗涤后得到NiFeP纳米棒催化剂；
[0011]或者，将镍铁合金基底浸入溶解有赤磷单质的有机溶液中，并在100～250℃条件下加热8-10小时，在基底表面原位生成NiFeP纳米片，洗涤后得到NiFeP纳米片催化剂。
[0012]优选地，所述溶解有赤磷单质的有机溶液中赤磷单质的质量为300～1200mg。
[0013]优选地，所述在100～250℃条件下加热5-7小时，在基底表面原位生成NiFeP纳米棒，为在250℃条件下加热6小时，在基底表面原位生成NiFeP纳米棒。
[0014]优选地，所述在100～250℃条件下加热8-10小时，在基底表面原位生成NiFeP纳米片，为在250℃条件下加热9小时，在基底表面原位生成NiFeP纳米片。
[0015]按照本专利技术的一个方面，提供了将如上文所述的催化剂在海水电解中的应用，将所述催化剂作为海水电解中的阳极或阴极。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
[0017](1)本专利技术提供的非晶态NiFeP过渡金属催化剂微观结构是具有较大比表面积的纳米棒和纳米片，该微观结构可以暴露出更多的活性位点并且能够作为离子的传输通道，其作为水分解电催化剂具有优异的催化性能。
[0018](2)非晶态的NiFeP过渡金属磷化物相较于目前的晶态磷化物(如：Ni2P、FeP、Cu3P)而言，其成分和表面电子结构更易调控，由此可以实现对本专利技术中P的原子含量进行精确控制，从而有助于得到特殊微观结构(纳米棒和纳米片)的催化剂。
[0019](3)本专利技术提供的非晶态NiFeP过渡金属催化剂制备方法可以通过一步水热法实现催化剂的制备，可以得到非晶态NiFeP过渡金属磷化物纳米棒和纳米线。相较于已有的非晶态磷化物制备方法(如高温煅烧、次磷酸盐化学镀)，本专利技术合成方法简单，能耗低，无剧毒PH3生成，适用于大规模生产。
[0020](4)本专利技术提供的非晶态NiFeP过渡金属催化剂制备方法中，通过调控水热法中加热时间，可以有效实现对催化剂微观结构的控制，能够得到良好的比表面积大的微观结构，从而暴露出更多的活性位点，提升催化剂催化性能。
[0021](5)相较于已有技术，本专利技术提供的非晶态NiFeP过渡金属磷化物催化剂，作为海水分解电催化剂具有更好的催化活性和稳定性。本专利技术提供的非晶态NiFeP过渡金属磷化物在碱性海水环境中进行全水解具有优异的全水解催化活性，在电流密度为100mA/cm2时，其电压低于1.65V，远低于目前已有的非贵金属催化剂所需电解电压。
[0022](6)将本专利技术提供的非晶态NiFeP过渡金属催化剂纳米棒和非晶态NiFeP过渡金属催化剂纳米片作为海水电解体系中阳极和阴极时，由于纳米棒状结构和纳米线状结构具有大比表面积和丰富的活性位点，因此具有优异的催化活性。其在电流密度为100mA/cm2时，发生氧析出反应和氢析出反应的过电势均小于200mV，优于现有大多数催化剂。
附图说明
[0023]图1A是本专利技术实施例1制备的非晶态NiFeP过渡金属催化剂的扫描电子显微镜图片；
[0024]图1B是本专利技术实施例2制备的非晶态NiFeP过渡金属催化剂催化剂的扫描电子显微镜图片；
[0025]图1C是本专利技术实施例3制备的非晶态NiFeP过渡金属催化剂的扫描电子显微镜图片；
[0026]图1D是本专利技术实施例4制备的非晶态NiFeP过渡金属催化剂的扫描电子显微镜图片；
[0027]图1E是本专利技术实施例5制备的非晶态NiFeP过渡金属催化剂的扫描电子显微镜图片；
[0028]图1F是本专利技术实施例6制备的非晶态NiFeP过渡金属催化剂的扫描电子显微镜图片；
[0029]图1G是本专利技术实施例7制备的非晶态NiFeP过渡金属催化剂的扫描电子显微镜图片；
[0030]图1H是本专利技术实施例8制备的非晶态NiFeP过渡金属催化剂的扫描电子显微镜图片；
[0031]图1I是本专利技术对比例1制备的非晶态NiFeP过渡金属催本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非晶态NiFeP过渡金属催化剂，用于海水氧或氢析出催化，其特征在于，所述催化剂包括镍铁合金基底和生长于该基底表面的NiFeP纳米棒或NiFeP纳米片。2.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述NiFeP纳米棒或所述NiFeP纳米片中P的原子含量x小于等于10.77％，且x不为零。3.如权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于，所述NiFeP纳米棒长度为150～200nm。4.如权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于，所述NiFeP纳米片厚度为1～2nm，长度为100～200nm。5.一种如权利要求1-4任一项所述的催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将镍铁合金基底浸入溶解有赤磷单质的有机溶液中，并在100～250℃条件下加热5-7小时，在基底表面原位生成NiFeP纳米棒，洗涤后得到NiFeP纳米棒催化剂；或者，将镍铁合金基底浸入溶解有...

【专利技术属性】
技术研发人员：王谭源，刘健云，李箐，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：