一种多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法及其产品和应用技术

本发明专利技术公开一种多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法：(1)将泡沫镍进行酸洗活化处理；(2)以锰盐与盐酸配置锰蚀刻液，以三价铁盐配置铁蚀刻液；(3)将活化后的泡沫镍置于锰蚀刻液中浸泡；(4)将步骤(3)浸泡过的泡沫镍转移至铁蚀刻液浸泡，得到改性后的泡沫镍；(5)将改性后的泡沫镍通过原位电化学活化，获得多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料。本发明专利技术还公开了通过上述制备方法得到的多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料及在析氧反应上的应用。该制备方法简单有效、无需高温反应条件；该电极材料具有出色的析氧反应性能和能够在大的电流密度下高效稳定工作。度下高效稳定工作。度下高效稳定工作。

【技术实现步骤摘要】
一种多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法及其产品和应用


[0001]本专利技术属于电化学
，具体涉及一种多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法及其产品和应用。

技术介绍

[0002]析氧反应(OER)作为电解水、电化学合成氨和电化学二氧化碳还原等重要技术的半反应，涉及复杂的多电子
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质子耦合步骤，具有非常缓慢的动力学过程，因而需要消耗更多的能量。当前活性较高的催化剂多为价格昂贵且地壳含量稀少的贵金属基纳米材料(例如，Ru，Ir等)，这显著增加了这些技术应用的成本，也制约了这些电催化技术的大规模应用。因此寻求和开发低廉高活性的析氧反应催化材料已成为目前研究热点。
[0003]近年来，研究表明多金属掺杂的泡沫镍基材料在碱性条件下具有优异的析氧反应催化活性，可以有效的降低过电位。目前，一些泡沫镍基电极材料在小的电流密度(如10mA cm2)下表现出比贵金属材料更为优异的催化性能。但是能够在大的电流密度(>1000mA cm2)下高效工作的析氧反应电极材料鲜有报道。一般情况下，将粉末电催化剂和基底结合，须使用nafion等高分子粘结剂。然而，聚合物粘结剂不仅会增加串联电阻，堵塞活性位点，抑制电解质扩散，导致催化活性减弱，并且涂布过程繁琐，不利于规模化制备。如果纳米催化剂直接在导电基底上原位生长形成自支撑电极，则无需使用聚合物粘合剂，以避免上述缺点。
[0004]但是目前普遍采用的水热法或者电沉积法得到的泡沫镍基自支撑电极材料，表面活性组分形貌单一，在小的电流密度下性能较好，但是在大的电流密度下，大量气泡从活性组分表面脱离时，严重影响传质，使得传质成为大电流下的速率控制步骤，而且在气泡与活性组分界面处引起的拉伸应力会严重损坏活性组分，导致结构损坏和性能快速衰减。如公开号为CN113802162A的中国专利公开了一种镍/钼硒化物双功能复合催化剂及其制备方法与应用，属于新能源材料与电化学储能
本专利技术通过用稀盐酸、去离子水和无水乙醇冲洗泡沫镍，随后将二氧化硒、钼酸钠和醋酸镍溶于去离子水中，并在标准三电极体系中，以石墨棒为对电极，以泡沫镍为工作电极，以银/氯化银为参比电极，通过简单的电沉积方法制备前驱体样品；待电沉积结束后，用去离子水对制备的前驱体样品冲洗、烘干得到所述镍/钼硒化物双功能复合催化剂。如公开号为CN111437819A的中国专利公开了一种合成钴掺杂镍铁网状纳米片阵列高效双功能电催化剂的方法和应用。通过简单的两锅水热法，首先对泡沫镍预处理，然后将预处理过的泡沫镍浸入镍铁盐溶液中，水热反应一段时间后取出，再浸入钴盐溶液水热反应后，取出干燥得到钴掺杂镍铁网状纳米片阵列高效双功能电催化剂。
[0005]因此，开发合成方法简单、环境友好，在大电流下高效、稳定、气泡脱离迅速的泡沫镍基电极材料，对析氧反应电极研究有十分重要的战略意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法，该制备方法简单有效、无需高温反应条件；本专利技术还提供了上述制备方法得到的电极材料及在析氧反应上的应用，具有出色的析氧反应性能和能够在大的电流密度下高效稳定工作。
[0007]为解决上述问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0009](1)将泡沫镍进行酸洗活化处理；
[0010](2)以锰盐与盐酸配置锰蚀刻液，以三价铁盐配置铁蚀刻液；
[0011](3)将活化后的泡沫镍置于锰蚀刻液中浸泡；
[0012](4)将步骤(3)浸泡过的泡沫镍转移至铁蚀刻液浸泡，得到改性后的泡沫镍；
[0013](5)将改性后的泡沫镍通过原位电化学活化，获得多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料。
[0014]在步骤(2)中，所述锰盐为氯化锰、硝酸锰和硫酸锰中的一种或多种；所述三价铁盐为氯化铁、硝酸铁和硫酸铁中的一种或多种。优选的，所述锰盐为氯化锰，所述三价铁盐为氯化铁：硝酸盐的氧化性过强，对电极的腐蚀能力过强，泡沫镍电极易发生过腐蚀，结构被破坏；硫酸盐的刻蚀能力过弱，刻蚀出锰盐的成核位点较少；氯化盐可以适当地活化泡沫镍基底，刻蚀电极表面，提供成核位点。
[0015]在步骤(2)中，以物质的量浓度0.1
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5mol/L锰盐与0.1
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1M盐酸配置锰蚀刻液，以物质的量浓度0.1
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1mol/L三价铁盐配置铁蚀刻液。低于0.1mol/L的锰盐刻蚀后的镍锰小球数量少，厚度薄，易与镍铁纳米片结合，但活性位点少；高于5mol/L的锰盐刻蚀后的镍锰小球数量大，厚度厚，活性位点多，但不易与镍铁纳米片结合。低于0.01mol/L的铁盐刻蚀后的镍铁纳米片密度小，孔径大，活性位点少，但与镍锰小球结合紧密；高于1mol/L的铁盐刻蚀后的纳米片密度高，孔径小，活性位点多，但对镍锰小球有破坏。优选浓度为1
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5mol/L的氯化锰和0.2
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0.5M盐酸配置锰蚀刻液，以0.5mol/L浓度配置铁蚀刻液，使其活性位点更易于结合并得到更合适的密度和孔径，具有更出色的析氧反应。
[0016]在步骤(3)中，将活化后的泡沫镍置于锰蚀刻液中浸泡0.1
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12h，环境温度20
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80℃。这是因为当锰蚀刻液中浸泡时间低于0.1h，刻蚀后的镍锰小球数量少，厚度薄，易与镍铁纳米片结合，但活性位点少；高于12h的锰盐刻蚀后的镍锰小球数量大，厚度厚，活性位点多，但不易与镍铁纳米片结合。当环境温度低于20℃时锰盐水解慢，生成的镍锰小球数量少，厚度薄，易与镍铁纳米片结合，但活性位点少；环境温度高于80℃时锰盐水解快镍锰小球数量大，厚度厚，活性位点多，但不易与镍铁纳米片结合。优选浸泡时间为10min，环境温度50℃。
[0017]在步骤(3)中，盐酸对泡沫镍表面有活化、刻蚀作用，镍离子与锰离子在泡沫镍表面水解、沉积。
[0018]在步骤(4)中，将步骤(3)浸泡过的泡沫镍转移至铁蚀刻液中浸泡0.1
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2h。浸泡低于0.1h的铁盐刻蚀后的镍铁纳米片密度小，孔径大，活性位点少，但与镍锰小球结合紧密；浸泡高于2h的铁盐刻蚀后的纳米片密度高，孔径小，活性位点多，但对镍锰小球与泡沫镍电极结构有破坏。因此为了得到更合适密度和孔径的镍铁纳米片而设定上述条件。优选条件
为5
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10min。
[0019]在步骤(4)中，三价铁对泡沫镍有蚀刻作用，镍离子与铁离子在泡沫镍表面水解、沉积。
[0020]步骤(5)中，所述电化学活化是线性扫描伏安法、循环伏安法、恒电流法和恒电压法中的一种或多种。
[0021]在步骤(5)中，所述线性扫描伏安法和循环伏安法放入电压范围均在0
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2.5V(vs.RHE)之间，扫描或循环1
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80次；当起始电压过低，对电极活化作用较小，电压过高，会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将泡沫镍进行酸洗活化处理；(2)以锰盐与盐酸配置锰蚀刻液，以三价铁盐配置铁蚀刻液；(3)将活化后的泡沫镍置于锰蚀刻液中浸泡；(4)将步骤(3)浸泡过的泡沫镍转移至铁蚀刻液浸泡，得到改性后的泡沫镍；(5)将改性后的泡沫镍通过原位电化学活化，获得多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料。2.根据权利要求1所述的多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述锰盐为氯化锰、硝酸锰和硫酸锰中的一种或多种；所述三价铁盐为氯化铁、硝酸铁和硫酸铁中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，以物质的量浓度0.1
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5mol/L锰盐与0.1
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1M盐酸配置锰蚀刻液，以物质的量浓度0.1
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1mol/L三价铁盐配置铁蚀刻液。4.根据权利要求1所述的多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，将活化后的泡沫镍置于锰蚀刻液中浸泡0.1
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12h，环境温度20
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80℃。5.根据权利要求1所述的多级阵列结构泡沫镍析氧电极材料的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，将步骤(3)浸泡过的泡沫镍转移至铁蚀刻液中浸泡0.1
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2h。6.根据权利要求1所述的多级阵列结构泡沫镍析...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅杰，王江浩，朱杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：