一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极及其制备方法，选取一片预设尺寸的泡沫镍，进行预处理；对预处理后的泡沫镍进行镀层处理，以在表面形成Ni基镀层；对带有Ni基镀层的泡沫镍进行二次镀层处理，以将表面的Ni基镀层转化为NiFe基镀层，NiFe多层级多孔非晶纳米阵列的多层级结合多孔的复合结构提供了充分暴露的丰富活性位点和增强的电荷传输，以及多孔传质通道可用于高效率的离子和气泡传输，泡沫镍负载的NiFe多层级多孔非晶纳米阵列展现出在碱性电解液，近中性电解液和碱性海水中卓越的析氧电催化活性和超高的稳定性。性。性。

A foam nickel supported NiFe amorphous nano array electrocatalysis electrode and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电解水制氧
，具体而言，涉及一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]自古以来，能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础和动力源泉。随着全球人口数量的持续增长，人类社会的能源需求日益增加，目前已经衍生出对化石燃料的强烈依赖。化石能源作为有限的不可再生能源，在可预见的未来将会面临枯竭的境地，这无疑对人类生存和经济社会的可持续发展提出了严峻考验。经过研究发现，氢能、生物质能、潮汐能、太阳能、风能作为化石能源的可替代选项，人类对绿色环保高效的可再生能源的需求大幅增长。氢能因具有燃烧热值高、能量密度大、来源丰富、清洁高效等诸多优点，长期以来被视作理想的二次能源。相比于化石燃料裂解制氢，生物质制氢等传统的制氢手段，电催化分解水制氢，是有望实现氢能源循环利用的关键技术手段。但是，目前通过电解水制取的氢气产量仅占年总产量的3％，其主要原因是由于电解水反应需要克服水分解的较高能垒，消耗大量的电能，造成能源的浪费。
[0003]其次，常见的电催化分解水反应都是在纯水配置的电解液环境中进行的，纯水资源在地球上属于稀有资源，工业废水和海水的有效利用，将是解决这一问题的关键。为了解决这些关键问题，电解池中阳极与阴极催化材料的巧妙设计是降低水分解反应能垒的最有力的手段。水分解反应可以分为析氢反应(HER)和析氧反应(OER)两个半反应，目前析氢反应的电极材料研究已经趋于成熟，在多种条件下催化效率都达到较高水平，但是可以适应于多种电解液环境的析氧反应电催化剂目前还没有得到实质性的突破，所以水分解的效率往往制约于析氧反应之上。因此，具有适应于多种电解液环境的、高析氧反应催化活性的阳极电极材料的开发成为了电解水制氢的关键点之一。
[0004]但是目前关于高性能电催化析氧电极材料的制备方法多较为繁琐且复杂，很难实现大规模的生产。开发出一种，简单且高效的大规模电极材料制备手段，也将是有效降低生产难度，节约成本的有效手段。目前，具有较高催化活性的析氧电催化剂通常是由贵金属材料构成的(Ru/Ir)。贵金属材料由于价格昂贵，以及较少的储量限制了其大规模的使用。因此，开发出一种催化活性高、稳定性强、价格亲民的非贵金属催化剂势在必行。其中，过渡金属(Fe，Ni等)在地球上储量及其丰富，由他们制备的高催化活性的析氧电催化剂，具有大规模生产的可能性。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极及其制备方法，以解决或改善上述技术问题中的至少之一。
[0006]有鉴于此，本专利技术的第一方面在于提供一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极的制备方法。
[0007]本专利技术的第二方面在于提供一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极。
[0008]本专利技术的第三方面在于提供一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极的应用。
[0009]本专利技术的第一方面提供了一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极的制备方法，包括：S1，选取泡沫镍作为基体，并对其进行预处理；S2，采用连续的化学沉积法，在泡沫镍基体表面形成非晶Ni基镀层；S3，采用连续的化学沉积法，在非晶Ni基镀层表面形成非晶NiFe基镀层；S4，干燥处理后，即得泡沫镍负载NiFe多层级多孔非晶纳米阵列电催化电极。
[0010]本专利技术提供的一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极的制备方法，采用两次的镀层得到NiFe基镀层，两次操作之间重复度高方便反复实施，使得制备方法整体简单，工艺简单易行，可实现工业化大规模生产制备。
[0011]通过多次镀层的方法在泡沫镍表面层层组装成独特的多层片状结构，而泡沫镍本身为三维网状材料，使得将多层结构与泡沫镍自身的三维多孔结构复合，制备得到的催化剂表面独特的多层片状结构以及三维多孔结构保证了催化过程中与电解液的超强浸润性。
[0012]气泡模板的泡沫镍辅助的化学沉积方法保证了析氧电极的良好结构稳定性，可以承受催化反应过程中气泡的大量生成，有效提高析氧电催化剂的结构稳定性。
[0013]NiFe多层级多孔非晶纳米阵列的多层级结合多孔的复合结构提供了充分暴露的丰富活性位点和增强的电荷传输，以及多孔传质通道可用于高效率的离子和气泡传输，泡沫镍负载的NiFe多层级多孔非晶纳米阵列展现出在碱性电解液，近中性电解液和碱性海水中卓越的析氧电催化活性和超高的稳定性。
[0014]另外，根据本专利技术的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：
[0015]上述任一技术方案中，所述S1的预处理的步骤，具体包括：先将基体依次置于浓度为5mol/L
‑
7mol/L盐酸、丙酮和去离子水中，并分别超声处理30min
‑
45min；然后将基体在温度为50℃
‑
100℃的真空环境中干燥6h
‑
8h。
[0016]在该技术方案中，在进行泡沫镍的表面加工前，需要将泡沫镍进行预先处理的工艺，以保证泡沫镍在加工中符合预期生产加工状态，超声波有着能量，可以在超声波的作用下进行洗涤和加工等操作。在各种溶液的配合下能够将泡沫镍表面及中空孔洞内壁附着的氧化镍层和有机污染物进行清理，避免在后续的实验加工中对表面镀膜造成影响，有助于泡沫镍的表面镀膜更加均匀和完整，盐酸属无色液体,具有腐蚀作用,属于氯化氢的水溶液，能够对泡沫镍表面的顽固污渍进行腐蚀，以便进行脱落，用丙酮清洗可以溶解物质，并使物质保持在溶液中的状态，降低残渣遗留，去离子水是一种清除了矿物离子(盐)的纯净水形式，去除镀层表面的可溶性离子和未附着的沉积物。
[0017]上述任一技术方案中，所述S2具体包括：S2
‑
1，将所述基体浸入预设浓度范围的氯化镍和次亚磷酸钠的混合水溶液中，并在0.5min
‑
1.5min后取出；S2
‑
2，将Ph≥9的碱性硼氢化钠水溶液用喷枪喷射出，并均匀喷涂到润湿的所述基体表面，形成非晶Ni基镀层；S2
‑
3，用去离子水冲洗具有所述非晶Ni基镀层的所述基体，去除所述非晶Ni基镀层表面的可溶性离子和未附着的沉积物；S2
‑
4，返回步骤S2
‑
1，直至泡沫镍基体完全被黑色的非晶Ni基镀层覆盖。
[0018]在该技术方案中，将预处理后的泡沫镍浸入预设浓度范围的氯化镍和次亚磷酸钠
的混合水溶液中，使得泡沫镍表面能够带有上述的混合溶液，在0.5min
‑
1.5min后取出，使得泡沫镍表面和中空孔洞内壁都能够均匀附着混合溶液；
[0019]根据具体的Ph值需求，通过在碱性硼氢化钠水溶液滴加氢氧化钠，用以改变碱性硼氢化钠水溶液的Ph值(但需要Ph≥9)，再将碱性硼氢化钠水溶液滴加氢氧化钠通过现有技术中的喷枪进行喷洒射出，以便对泡沫镍表面喷涂碱性硼氢化钠水溶液，用以反应形成Ni基镀层；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极的制备方法，其特征在于，包括：S1，选取泡沫镍作为基体，并对其进行预处理；S2，采用连续的化学沉积法，在泡沫镍基体表面形成非晶Ni基镀层；S3，采用连续的化学沉积法，在非晶Ni基镀层表面形成非晶NiFe基镀层；S4，干燥处理后，即得泡沫镍负载NiFe多层级多孔非晶纳米阵列电催化电极。2.根据权利要求1所述的一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极的制备方法，其特征在于，所述S1的预处理的步骤，具体包括：先将基体依次置于浓度为5mol/L
‑
7mol/L盐酸、丙酮和去离子水中，并分别超声处理30min
‑
45min；然后将基体在温度为50℃
‑
100℃的真空环境中干燥6h
‑
8h。3.根据权利要求1所述的一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极的制备方法，其特征在于，所述S2具体包括：S2
‑
1，将所述基体浸入预设浓度范围的氯化镍和次亚磷酸钠的混合水溶液中，并在0.5min
‑
1.5min后取出；S2
‑
2，将Ph≥9的碱性硼氢化钠水溶液用喷枪喷射出，并均匀喷涂到润湿的所述基体表面，形成非晶Ni基镀层；S2
‑
3，用去离子水冲洗具有所述非晶Ni基镀层的所述基体，去除所述非晶Ni基镀层表面的可溶性离子和未附着的沉积物；S2
‑
4，返回步骤S2
‑
1，直至泡沫镍基体完全被黑色的非晶Ni基镀层覆盖。4.根据权利要求1所述的一种泡沫镍负载NiFe非晶纳米阵列电催化电极的制备方法，其特征在于，所述S3具体包括：S3
‑
1，将具有Ni基镀层的基体浸入预设浓度范围的氯化镍、硫酸亚铁和次亚磷酸钠的混合水溶液中，并在0.5min
‑
1.5min后取出；S3
‑
2，将Ph≥9的碱性硼氢化钠水溶液用喷枪喷射出...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓芳，水江澜，于荣海，唐武魁，邹海涵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：