莫特肖特基异质结纳米材料及制备方法和用途技术

本申请涉及一种NiFe2O4/Ni2P莫特肖特基异质结纳米材料，该纳米材料具有稳定的结构以及有利于催化的电子相互作用，具有优异的全水解活性，全水解电流密度为10mA cm

【技术实现步骤摘要】
莫特肖特基异质结纳米材料及制备方法和用途


[0001]本申请属于电化学催化
，尤其是涉及一种NiFe2O4/Ni2P莫特肖特基异质结纳米材料及制备方法和用途。

技术介绍

[0002]近年来阳极析氧反应(OER)在水分解装置、金属
‑
空气电池等可持续能源转换系统中广泛应用，使其在基础催化领域的重要性日益突出。而制备出价格低廉、高效的OER催化剂一直是高校和企业科学研究的热点。OER催化剂包括过渡金属基氧化物、氢氧化物、硫化物、磷化物等。同时为了进一步提高电催化性能，研究人员开发了形态控制、杂原子掺杂、缺陷引入和异质结构工程。
[0003]一般来说，具有强界面相互作用的异质结构可以触发异质界面内的电子重分布，从而调节电子结构，优化中间体的吸附能，甚至赋予协同效应，为增强活性位点的本征活性提供了有效的策略。
[0004]目前报道的许多肖特基异质结催化剂在OER性能方面做出了重大贡献，如NiFe LDH/NiS肖特基异质结表现出显著的OER活性，在该催化体系中，NiS纳米片阵列丰富的孔隙率有助于丰富的催化位点和良好的电解质渗透，从而实现快速传质。此外，理论计算表明，NiFe LDH与NiS的耦合可以调整Ni(Fe)原子的d带中心和氧中间体的结合强度，从而获得良好的OER动力学(Q.L.Wen,K.Yang,D.J.Huang,Y.W.Liu and H.Q.Li,Adv.Energy Mater.,2021,11,2102353.)。而据我们所知，鲜少有人将NiFe2O4与Ni2P相结合应用于OER和电解水应用中。电解水规模化应用的关键是如何降低OER过电位，实现在低电位下的大电流产氢，进而降低电能消耗与制氢成本。研究表明Ru、Ir、Pt等贵金属及其氧化物具有最优异的析氢催化性能，但其价格昂贵、资源匮乏限制了这些材料的广泛应用。因此，需要一种廉价高效非贵金属电解水催化剂。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种廉价高效的NiFe2O4/Ni2P莫特肖特基异质结纳米材料及制备方法和用途。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1：将Fe(NO3)3和Ni(NO3)2或者两种物质的水合物溶于乙二醇中并搅拌均匀，随后加入十二烷基磺酸钠搅拌均匀，后转入水热反应釜中水热反应，取沉淀物洗涤后干燥得到氧化物前驱体；
[0009]S2：将S1步骤制备得到的氧化物前驱体进行煅烧得到棕色NiFe2O4；
[0010]S3：将Ni(NO3)2和六次甲基四胺溶解在去离子水中得到澄清溶液；然后将S2步骤得到的NiFe2O4研磨后加进澄清溶液中搅拌均匀，并进行水热反应，水热反应后取沉淀物洗涤干燥后的产物为NiFe2O4/Ni(OH)2；
[0011]S4：将次磷酸钠或者其水合物与S3步骤得到的NiFe2O4/Ni(OH)2粉末装在瓷舟中分别放进管式炉的上下游，在无氧气氛下加热，得到的最终产物：NiFe2O4/Ni2P。
[0012]其中：
[0013]S1步骤中加入的SDS为表面活性剂，能够提升产物的比表面积，且在后续S2的煅烧中会随高温蒸发，不会影响最终产物的纯度。
[0014]S2步骤得到的NiFe2O4为P型半导体，且具有独特的尖晶石结构，其中Ni为+2价，Fe为+3价离子，且Ni
2+
占据四面体位点，Fe
3+
占据八面体位点。这种尖晶石过渡金属氧化物被研究证明是一种有希望的催化剂，其化学稳定性良好、耐腐蚀程度高、自然丰富度大、有多种氧化价态，且廉价对环境友好，被应用于许多领域。
[0015]S3步骤中HMTA是保证溶液呈碱性的关键，因为氢氧化物的形成需要在碱性环境下进行。
[0016]S4步骤得到的最终产物是P型NiFe2O4与Ni2P结合的莫特肖特基异质结催化剂，该催化剂克服了NiFe2O4因比表面积小而易团聚导致的电化学不稳定和Ni2P因缺乏足够的表面活性位点从而阻碍其实际应用这两个缺点。基于肖特基异质结构，NiFe2O4与Ni2P间存在内建电场，在界面处诱导自驱动电荷转移，促进反应物分子吸收和化学键断裂，从而触发水分解。
[0017]优选地，本专利技术的NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，S1步骤中水热反应的温度为160℃～170℃，反应时间为10～15h。
[0018]优选地，本专利技术的NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，S2步骤中煅烧是在马弗炉中进行，在2～3℃min
‑1的升温速度下于450～460℃煅烧2～3h。
[0019]优选地，本专利技术的NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，S3步骤中水热反应的反应温度为95～105℃，反应时间为8～10小时。
[0020]优选地，本专利技术的NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，S4步骤中次磷酸钠的水合物与NiFe2O4/Ni(OH)2粉末的质量比为5:1。
[0021]优选地，本专利技术的NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，S4步骤中在350～360℃下加热2小时，升温速率为2～3℃min
‑1。
[0022]优选地，本专利技术的NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，S4步骤中的无氧气氛为氮气气氛。
[0023]本专利技术还提供一种NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料，由上述的制备方法制备得到。
[0024]本专利技术还提供一种碳纤维布阳极材料，表面涂覆有上述的NiFe2O4/Ni2P材料。
[0025]本专利技术还提供如上述的碳纤维布阳极材料作为阳极在电解水中的应用。
[0026]本专利技术的有益效果是：
[0027]本申请的NiFe2O4/Ni2P莫特肖特基异质结纳米材料具有稳定的结构以及有利于催化的电子相互作用，具有优异的全水解活性，全水解电流密度为10mA cm
‑2时，所需电压仅为1.48V，并且在电流密度为10mA cm
‑2时持续工作50小时，没有明显的衰减，因此具有稳定性好的优点。同时，材料中不包括稀有或者贵金属元素，成本低廉。
附图说明
[0028]下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
[0029]图1是本申请中NiFe2O4/Ni2P肖特基异质结纳米材料的合成路线图；
[0030]图2是本申请中NiFe2O4/Ni2P肖特基异质结纳米材料的微观形貌图；
[0031]图3是本申请中NiFe2O4/Ni2P肖特基异质结纳米材料的结构和形貌表征图，其中(a)为XRD图；(b)为TEM图；(c)为高分辨率透射电子显微镜(HR
‑
TEM)图；(d)为相应的选区电子显微(SAED)图像；
[0032]图4是本申请中NiFe2O4/Ni2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将Fe(NO3)3和Ni(NO3)2或者两种物质的水合物溶于乙二醇中并搅拌均匀，随后加入十二烷基磺酸钠搅拌均匀，后转入水热反应釜中水热反应，取沉淀物洗涤后干燥得到氧化物前驱体；S2：将S1步骤制备得到的氧化物前驱体进行煅烧得到棕色NiFe2O4；S3：将Ni(NO3)2和六次甲基四胺溶解在去离子水中得到澄清溶液；然后将S2步骤得到的NiFe2O4研磨后加入澄清溶液中搅拌均匀，并进行水热反应，水热反应后取沉淀物洗涤干燥后的产物为NiFe2O4/Ni(OH)2；S4：将次磷酸钠或者其水合物与S3步骤得到的NiFe2O4/Ni(OH)2粉末装在瓷舟中分别放进管式炉的上下游，在无氧气氛下加热，得到的最终产物：NiFe2O4/Ni2P。2.根据权利要求1所述的NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，其特征在于，S1步骤中水热反应的温度为160℃～170℃，反应时间为10～15小时。3.根据权利要求1所述的NiFe2O4/Ni2P异质结纳米材料的制备方法，其特征在于，S2步骤中煅烧是在马弗炉中...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙秀娟，周佳佳，谭雯娟，曹秋涵，赵勇杰，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：