一种双金属共掺杂电极材料的制备及其在光伏电解水系统中的应用技术方案

本发明专利技术涉及一种双金属共掺杂电极材料的制备及其在光伏电解水系统中的应用，制备方法：将酸清洗过的泡沫镍在

【技术实现步骤摘要】
一种双金属共掺杂电极材料的制备及其在光伏电解水系统中的应用


[0001]本专利技术属于光伏
‑
电化学
，具体涉及一种双金属共掺杂电极材料的制备及其在光伏电解水系统中的应用
。

技术介绍

[0002]可再生能源转换技术是实现碳中和的重要技术之一
。
太阳能作为一种取之不尽的可再生清洁能源，可代替传统的化石燃料，减少温室气体的排放
。
据预测到
2050
年，全球发电量的
50
％以上将来自可再生能源，其中大部分将由太阳能覆盖
。
然而，由于昼夜更替的存在致使太阳能具有间歇性的特点，其本质要求要有一种有效的方法来存储和驱动太阳能
。
向自然界光合作用学习，以自然光合作用的简化原型
‑
光驱动的水分裂为基础，构筑人工光合成水分解体系，用人工光合成的方法将太阳能转为化学能并以氢气的形式储存是开发新能源的重要途径之一
。
[0003]在目前众多的水分解技术中，利用太阳能进行光催化和利用电能进行电催化分解水已成为制氢的两大主流领域
。
在太阳能驱动水分解的典型技术中，主要包括光催化
(PC)、
光电催化
(PEC)
和光伏电催化
(PV
‑
EC)
这三种方法
。
但是鉴于光催化的间歇性和电催化消耗大量电能的特点，单一的光催化和单一的电催化都难以满足器件的连续性和稳定性需求r/>。
所以，光与电化学的结合构成的
PEC
或者
PV
‑
EC
体系可以在很大程度上解决“弃光耗电”的问题
。
相比于
PV
‑
EC
体系，
PEC
体系常用的光电转换材料为半导体器件，由于其产生的电流密度由半导体器件的吸光能力及载流子的传输能力决定，即使外接光伏电池板，其太阳能到氢的转换效率依然很低，大大限制了其商业化的应用
。
于是光伏电催化
(PV
‑
EC)
体系为大规模制氢提供了可能
。
[0004]而能源存储与转换器件的核心性能取决于其电极材料电催化性能的优异与否
。
高效的电极材料取决于其形貌结构
、
组成以及反应过程中的荷质传递等因素，析氢反应和析氧反应成为衡量材料核心性能的主要指标
。
但目前常用的电催化剂普遍存在过电位高
、
动力学迟钝
、
使用寿命短和合成成本高等缺陷，极大地限制了这些能源存储与转换器件的商业化应用
。
[0005]当前，水分解性能较为优异的催化剂大多由贵金属及其氧化物组成，如
Pt、RuO2等
。
但是这些贵金属普遍存在成本高
、
天然丰度低并且稳定程度不高的问题，不利于大规模的生产和使用
。
因此开发丰度高
、
价格低廉且性能优异的非贵金属基催化剂是十分有必要的
。
其中，与
Pt
相似，且具有
3d
构型电子结构的过渡金属基催化剂就是典型代表，他们与贵金属基具有同样丰富的活性位点和高导电性
。
但与贵金属基不同的是，它们成本低廉，都具有可调控的电子结构及多变的组分，在兼具优异催化活性以及稳定性的同时可以作为双功能催化剂，应用于全解水中分别作为阴极和阳极的双功能材料，有效地降低水分解所需的过电势
。
[0006]目前，
NiFe
‑
LDH
基催化剂凭借着其优异的
OER
活性，可以有效克服水分解反应的瓶
颈成为过渡金属基催化剂在水分解中的典型代表
。
但是最近的研究表明，该类材料的合成过程中主要集中在通过各种策略进一步提高其
OER
甚至其全解水性能，包括通过形貌设计以暴露更多的活性中心，利用表面缺陷工程以调节电子结构，与碳材料结合以促进电子转移
,
以及通过腐蚀工程以加速
NiFeOOH
的形成等等
。
但是由于前三种合成过程一般涉及水热法，气相沉积法，高温煅烧法等途径，通常需要多步骤的处理和持续的能源消耗，并且所获得的催化剂存在容易脱落的问题，稳定程度不高
。
因此利用一种低成本的方法来合成高活性的
NiFeOOH
基电催化剂进行水分解是十分必要的
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种双金属共掺杂电极材料的制备及其在光伏电解水系统中的应用，用光辅助合成的方式降低
NiFeOOH
基电极的制备成本，以解决目前电解水领域中催化剂合成工艺繁琐
、
耗时以及成本高等问题，为光伏电解水的大规模应用提供了可能
。
[0008]本专利技术提供了一种快速简易的合成
NiFeOOH
基电极材料的改性工艺
。
本专利技术以酸洗后的泡沫镍作为主体材料，在波长为
410nm
紫光照射下在
295.15K
中利用一步浸渍法快速合成了含
Fe
，
Co
双金属共掺杂的
p
‑
S
‑
Ni(Fe,Co)OOH
双功能电极材料，且在电化学测试中具有较优的水分解活性，并结合商用的光伏太阳能电池板组装了经济
、
高效的光伏电解水系统
。
[0009]一种双金属共掺杂电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)
用酸清洗泡沫镍；
[0011](2)
在
295.15K
中将酸洗后的泡沫金属浸渍在含九水合硝酸铁
、
六水合硝酸钴和五水合硫代硫酸钠的混合溶液
(
以上三种盐不能用其他盐替代
)
中
(
此时硫代硫酸钠溶液的作用为调节混合溶液的酸碱度以促进
Ni(Fe,Co)OOH
的形成
)
，在紫光
LED
灯照射下浸渍5‑
10min
，反应后用去离子水冲洗泡沫金属电极表面，在
289.15K
～
295.15K
下自然晾干
。
[0012]进一步的，步骤
(1)
中用酸清洗泡沫镍的方法为：将泡沫镍放入1‑
5mol/LHCl
中超声移除表面的氧化膜，然后分别用无水乙醇和去离子水对泡沫镍进行冲洗
。
[0013]进一步的，步骤
(1)
超声条件在
289.15K
～...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双金属共掺杂电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
用酸清洗泡沫镍；
(2)
将步骤
(1)
的酸清洗过的泡沫镍置于
Fe(NO3)3·
9H2O、Co(NO3)2·
6H
‑2O
和
Na2S2O3·
5H2O
的混合溶液中，在紫色
LED
灯照射下，在
289.15K
～
295.15K
中浸渍5‑
10min
后晾干
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中用酸清洗泡沫镍的方法为：将泡沫镍放入1‑
5mol/LHCl
中超声移除表面的氧化膜，然后分别用无水乙醇和去离子水对泡沫镍进行冲洗
。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
(2)
中所述紫色
LED
灯的波长为
...

【专利技术属性】
技术研发人员：简经鑫，林嘉颖，佟庆笑，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：