泡沫镍负载镍铜锰金属纳米电催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种泡沫镍负载镍铜锰金属纳米电催化剂及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：

【技术实现步骤摘要】
泡沫镍负载镍铜锰金属纳米电催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于电催化
；更具体地，是涉及一种用于氢析出反应的非贵金属纳米电催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，氢能源由于高能量密度和高清洁度受到广泛关注。现有的制氢技术中，电解水制氢可谓最具发展潜力，因为水解产物只有氧气和氢气，不仅对环境零污染，还可以作为燃料电池的原料，所以电解水既能从根本上减少环境污染问题，还能解决人类所面临的能源危机。
[0003]但是，电解水阴极侧的氢析出反应(hydrogen evolution reaction,HER)需要提供远高于理论的电势来克服反应动力学限制(特别是碱性条件下)，由此造成了电能的浪费和较低的能源转换效率。目前，相对高效的析氢催化剂为铂基贵金属催化剂，但由于其稀缺性及高昂的成本，导致无法实现大规模生产。同时，铂基催化剂在碱性环境中的活性也远低于酸性环境。所以，寻找在地壳中储量丰富，且在碱性环境下仍具有高活性和耐久性的析氢反应电催化剂，在水电解的可扩展应用中具有至关重要的意义。
[0004]电解水析氢分为两个步骤，首先电解液中的H2O分子解离形成反应中间体吸附氢(*H)吸附在催化剂表面，接着吸附氢从催化剂表面脱附形成氢气(H2)。因此，提升碱性HER活性关键在于同时加速水分子的解离和*H的吸/脱附。基于非贵金属和非金属材料的碱性HER电催化剂已经有大量的研究报道，在这些材料中，由于Ni对H的吸附能约为
‑
0.3eV，可以作为*H吸/脱附位点，而氢氧化镍具有优异的水解离能力，使得由Ni和Ni(OH)2构成的多组分界面结构表现出良好的碱性HER活性和稳定性。但现有技术中制备Ni/Ni(OH)2结构存在工艺复杂、成本高和效率低的问题，同时由于Ni对*H的吸附能较强，导致Ni/Ni(OH)2活性需进一步改善。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的主要目的在于提供一种泡沫镍负载镍铜锰金属纳米电催化剂及其制备方法，不仅具有工艺简单、成本低和效率高的优点，而且在碱性条件下对HER反应具有极佳的电催化性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种泡沫镍负载镍铜锰金属纳米电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0007]⑴
对泡沫镍进行预处理，以去除其表面的镍氧化物；
[0008]⑵
将水溶性的锰盐、铜盐和镍盐按预定比例溶于去离子水中，得到前驱体溶液，并调节前驱体溶液的pH为酸性；
[0009]⑶
以预处理过的泡沫镍作为工作电极，在前驱体溶液中进行电沉积而在泡沫镍上负载镍铜锰金属纳米粒子；其中，电沉积的沉积电位为
‑
0.5～
‑
1.2V。
[0010]根据本专利技术的一种具体实施方式，步骤
⑴
所述的预处理包括依次对泡沫镍进行酸
洗、水洗和真空干燥。其中，酸洗可以采用盐酸，例如浓度为6mol/L的盐酸。
[0011]根据本专利技术的一种具体实施方式，所述水溶性的锰盐、铜盐和镍盐分别为硫酸锰、硫酸铜和硫酸镍。
[0012]根据本专利技术的一种具体实施方式，前驱体溶液中锰、铜和镍的摩尔比为0.9～1.8：1.5～0.6：4。
[0013]根据本专利技术的一种具体实施方式，前驱体溶液中锰、铜和镍的总摩尔浓度为3～8mol/L。
[0014]根据本专利技术的一种具体实施方式，步骤
⑵
采用硫酸铵作为pH调节剂。
[0015]根据本专利技术的一种具体实施方式，步骤
⑵
调节前驱体溶液的pH为4～5。
[0016]根据本专利技术的一种具体实施方式，步骤
⑶
的电沉积时间为300～1500s。
[0017]本专利技术的制备方法中，通过掺杂催化惰性的金属Cu优化Ni活性位对*H的吸附能，同时加入电极电位远低于Ni和Cu的Mn元素，使Mn以氢氧化物形式存在，促使一步合成Ni/Ni(OH)2结构，由此解决了现有技术存在的制备工艺复杂、成本高和效率低的技术问题，且所制备的催化剂即使在碱性条件下也具有极佳的析氢催化性能。
[0018]为了实现上述主要目的，本专利技术的第二方面提供了一种用于碱性HER反应的泡沫镍负载镍铜锰金属纳米电催化剂，其根据上述的任意一种制备方法得到。
[0019]本专利技术提供的泡沫镍负载镍铜锰金属纳米电催化剂用一步电沉积技术制备而成，具有制作工艺简单、成本低和效率高的优点，且即使在碱性条件下也具有极佳的电催化活性和稳定性。
[0020]为了更清楚地说明本专利技术的目的、技术方案和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。
附图说明
[0021]图1a、1b和1c分别为Ni、Cu和Mn三种金属的Pourbaix图；
[0022]图2为实施例1制得的NiCuMn催化剂的电沉积图；
[0023]图3a和3b分别为本专利技术预处理好的多孔泡沫镍及实施例1所制备NiCuMn催化剂的实物图；
[0024]图4为实施例1制得的NiCuMn催化剂的FESEM图及EDS能谱图；
[0025]图5是本专利技术实施例1制得的NiCuMn催化剂、对比例1制得的Ni催化剂、对比例2制得的NiCu催化剂及对比例3制得的NiMn催化剂的XRD图；
[0026]图6是本专利技术实施例1制得的NiCuMn催化剂的HAADF
‑
STEM图；
[0027]图7a和7b分别为参考样Ni箔和Ni(OH)2，以及本专利技术专利技术实施例1制得的NiCuMn催化剂、对比例2制得的NiCu催化剂和对比例3制得的NiMn催化剂，在Ni K边的XANES谱和Ni K边的EXAFS数据对应的K3加权傅立叶变换曲线；
[0028]图8是实施例1制得的NiCuMn催化剂、对比例1制得的Ni催化剂、对比例2制得的NiCu催化剂的价带谱图；
[0029]图9为实施例1至5所制得镍铜锰催化剂的线性扫描伏安曲线图；
[0030]图10是实施例1制得的NiCuMn催化剂、对比例1制得的Ni催化剂、对比例2制得的NiCu催化剂、对比例3制得的NiMn催化剂及预处理好的多孔泡沫镍(NF)的线性扫描伏安曲
线图；
[0031]图11是实施例1制得的NiCuMn催化剂的稳定性测试图。
具体实施方式
[0032]本专利技术实施例公开了一种泡沫镍负载镍铜锰金属纳米电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0033]⑴
对泡沫镍进行预处理，以去除其表面的镍氧化物；具体的，可以先裁剪得到尺寸为1cm*1cm的泡沫镍，再将裁剪好的泡沫镍放入盐酸中超声清洗，去除其表面的NiO
x
层，然后用去离子水多次清洗去除其表面残余的酸，最后再真空干燥备用。
[0034]⑵
将水溶性的锰盐、铜盐和镍盐按预定比例溶于去离子水中，得到前驱体溶液，并调节前驱体溶液的pH为酸性。其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.泡沫镍负载镍铜锰金属纳米电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
⑴
对泡沫镍进行预处理，以去除其表面的镍氧化物；
⑵
将水溶性的锰盐、铜盐和镍盐按预定比例溶于去离子水中，得到前驱体溶液，并调节所述前驱体溶液的pH为酸性；
⑶
以预处理过的泡沫镍作为工作电极，在所述前驱体溶液中进行电沉积而在所述泡沫镍上负载镍铜锰金属纳米粒子；其中，所述电沉积的沉积电位为
‑
0.5～
‑
1.2V。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤
⑴
所述的预处理包括依次对泡沫镍进行酸洗、水洗和真空干燥。3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述水溶性的锰盐、铜盐和镍盐分别为硫酸锰、硫酸铜和硫酸镍。4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王劲松，李智敏，徐明丽，张正富，辛思思，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：