共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂及制备方法技术

本发明专利技术属于电化学催化材料技术领域，公开了一种共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂及制备方法，催化剂的分子式为：EO

【技术实现步骤摘要】
共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂及制备方法


[0001]本专利技术属于电化学催化材料
，尤其涉及一种共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂及制备方法。

技术介绍

[0002]目前，良好的环境是生存的基础，充足的能源是社会发展的前提。当今社会面临的环境污染和能源短缺问题是制约生存和发展的关键问题。因此，迫切需要致力于清洁可再生能源的开发。氢能作为一种零碳排放、可持续可再生、高能量密度的新能源，是最环保的清洁能源。因此，如何以低成本、高效率、无污染的方式生产氢能已成为研究热点。
[0003]电解水的两个半反应，阴极的析氢反应和阳极的析氧反应都具有无碳排放、可持续发展和产品纯度高等优点，受到广泛关注。电解水需要施加一定的电压来驱动产生氢和氧。为了降低能耗，提高能量转换效率，该工艺需要一种高效、低成本、连续稳定的催化剂来降低能耗，进而实现电解水制氢的实际应用。目前，高活性催化剂仍然是铂、钌、铱、铑等贵金属基催化剂。然而，其价格昂贵、稳定性差，限制了其大规模应用。因此，开发成本低、催化活性高、稳定性好的电催化剂是电解水制氢实际应用的关键。
[0004]目前，已经开发出许多性能优良、价格低廉、稳定性好的非贵金属基电催化剂，如Fe、Co、Ni、Mo基电催化剂。特别是Ni基催化剂，因具有导电性好、催化活性高、价廉易得、环境友好等特点而被广泛研究，但是，金属镍的催化活性和稳定性都不是很好。因此，人们开发了各种策略来提高镍的催化活性和稳定性，如金属化合物合成、合金化、异元素掺杂、异质结构的构建等。然而，由于大多数镍基催化剂对催化反应的选择性不同，它们只表现出较好的电催化析氢或者析氧性能，电解水效率较低。
[0005]因此，为了实现高效电解水，需要开发同时具有优异的析氢反应和析氧反应的双功能电催化剂。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的镍基催化剂催化活性和稳定性不佳，且电解水的效率低。
[0007]解决以上问题及缺陷的难度为：如何通过多种策略的组合设计合成出具有高催化活性和稳定活性的双功能催化剂。
[0008]解决以上问题及缺陷的意义为：开发同时具有优异的析氢反应和析氧反应的双功能电催化剂能够实现高效电解水。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂及制备方法。
[0010]本专利技术是这样实现的，一种共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂，所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂为具有丰富异质界面的Cu和Fe共掺杂的Ni(OH)2/Ni异质结构碱性电解水催化剂；物理性质：具有丰富异质界面；化学特性：催化碱性
电解水反应；
[0011]所述催化剂的分子式为：EO
‑
Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF。
[0012]本专利技术的另一目的在于提供一种所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂的制备方法，所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂制备方法包括：
[0013]通过两步电化学方法将Cu、Fe共掺杂的Ni(OH)2/Ni异质结构催化剂负载于泡沫镍基底上，即可。
[0014]进一步，所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂制备方法包括以下步骤：
[0015]步骤一，进行泡沫镍的处理：将一定面积的泡沫镍利用放置于烧杯中的浓盐酸进行浸泡，并进行超声处理；利用去离子水和乙醇将所述浸泡、超声处理后的泡沫镍清洗干净，并进行烘干；
[0016]步骤二，电化学沉积制备Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF：采用三电极体系通过电化学沉积法将Cu和Fe共掺杂Ni负载在工作电极泡沫镍基底上，得到Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF；
[0017]步骤三，电化学氧化合成EO
‑
Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF：采用三电极体系利用循环伏安法对制备的Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF进行电化学氧化，得到所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂。
[0018]进一步，步骤一中，所述泡沫镍的面积为1
×
1cm2；所述超声处理时间为10min；以除掉泡沫镍表面的氧化层。
[0019]进一步，步骤二中，所述三电极体系包括：以Hg/Hg2SO4和碳棒分别作为参比电极和对电极。
[0020]进一步，步骤二中，所述电化学沉积制备Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF包括以下步骤：
[0021]向缓冲液中加入适量的铜盐、铁盐、镍盐，超声波搅拌一段时间得到透明的电解液；
[0022]在一定的电压下，将金属离子以铜、铁共掺杂的镍金属纳米颗粒的形式从电解液中电沉积至泡沫镍基底上，静置一段时间后取出，并利用去离子水冲洗干净，即可得Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF。
[0023]进一步，所述缓冲溶液为硼酸溶液，缓冲液浓度为0.5M；作用为抑制氢氧化物的生成，提升样品纯度。
[0024]所述镍盐为六水硝酸镍，所述镍盐浓度为0.5M；作用为提供丰富的镍离子。
[0025]所述铜盐为三水硝酸铜，所述铜盐浓度为0.03M；作用为提供铜掺杂剂。
[0026]所述铁盐为九水硝酸铁，所述铁盐浓度为0.02M；作用为提供铁掺杂剂。
[0027]所述电压为
‑
2Vvs.Hg/Hg2SO4，作用为在负电压下将金属离子以铜、铁共掺杂镍金属纳米颗粒的形式从电解液中还原并沉积至泡沫镍基底，所述电沉积时间为600秒。
[0028]进一步，步骤三中，所述三电极体系包括：以Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF为工作电极，石墨电极和Hg/HgO分别为对电极和参比电极。
[0029]进一步，步骤三中，所述电化学氧化合成EO
‑
Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF包括以下步骤：
[0030]利用循环伏安法将制备的Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF浸泡在浓度为1.0M的碱性溶液中，在
‑
0.675～0Vvs.RHE的电压范围内以100mV/s的扫速进行25个循环。作用为使部分金属氧化为氢氧化物，构建异质结构。
[0031]本专利技术的另一目的在于提供一种所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂在碱性电解水中的应用。
[0032]结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：本专利技术的催化剂是负载在泡沫镍上的碱性电解水催化剂，通过Cu、Fe共掺杂结合Ni(OH)2/Ni异质结构的构建，调节了活性金属中心Ni的氧化态以及提供了丰富的Ni(OH本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂，其特征在于，所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂为Cu和Fe共掺杂的Ni(OH)2/Ni异质结构催化剂；所述催化剂的分子式为：EO
‑
Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF。2.一种如权利要求1所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂的制备方法，其特征在于，所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂的制备方法包括：通过两步电化学方法将Cu、Fe共掺杂的Ni(OH)2/Ni异质结构催化剂负载于泡沫镍基底上，即可。3.如权利要求2所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂的制备方法，其特征在于，所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂制备方法包括以下步骤：步骤一，进行泡沫镍的处理：将一定面积的泡沫镍利用放置于烧杯中的浓盐酸进行浸泡，并进行超声处理；利用去离子水和乙醇将所述浸泡、超声处理后的泡沫镍清洗干净，并进行烘干；步骤二，电化学沉积制备Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF：采用三电极体系通过电化学沉积法将Cu和Fe共掺杂Ni负载在工作电极泡沫镍基底上，得到Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF；步骤三，电化学氧化合成EO
‑
Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF：采用三电极体系利用循环伏安法对制备的Cu3‑
Fe2‑
Ni
50
/NF进行电化学氧化，得到所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂。4.如权利要求3所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述泡沫镍的面积为1
×
1cm2；所述超声处理时间为10分钟。5.如权利要求3所述共掺杂结合异质结构的镍基碱性电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述三电极体系包括：以Hg/Hg2SO...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓伊琳，赖微，葛李洪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：