【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料科学和电催化，具体涉及一种泡沫镍负载nimon的复合层状材料及其制法与应用。
技术介绍
1、能源危机和环境污染是当今社会面临的严峻挑战，开发可再生替代能源已成为根本性解决这一问题的关键，氢气作为一种清洁、高效、可持续的能源载体，而且热值(120kj/g)远超过传统材料，且对于环境无污染、零排放，被认为是未来能源的终极形态。由于地球上具有丰富的海水资源，在众多制氢方法中，利用可再生能源(太阳能、风能等)的过剩能源电解水制氢，不仅电能来源廉价，且具有设备简单、绿色高效，成为获取绿色氢的理想技术。在电解水制氢中，各种损失(如活化损失和传质损失等)，电解过程依然存在能耗过大、反应效率低等问题。而催化剂利用率的提高以及电解能耗的减少起到非常重要的作用。目前研究表明，贵金属pt表面的氢吸附自由能(δch*)接近为零，是最理想的析氢电催化剂，但是由于价格昂贵、资源稀缺和易中毒等因素极大地阻碍了pt基催化剂的工业化应用。因此，开发低成本、低过电位、长期稳定性好的非贵金属催化剂材料对于电解水制取氢气至关重要。
2、储量丰富、价格低、电子结构独特的过渡非金属是极具发展前景的析氢反应(her)催化材料。过渡金属中ni具有优异的her交换电流密度、适中的吸附h键能、较快的反应速率，被认为是最有希望替代贵金属her催化剂。ni的价电子层排布为3d84s2，在析氢过程中，其未成对d电子很容易与h原子的1s轨道作用形成m-h键，促进析氢反应的进行。但在高电流密度条件下，ni催化剂的析氢过电位依然很高，尤其是在具有腐蚀性的海水环境
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于提供一种泡沫镍负载nimon的复合层状材料及其制法与应用，以克服现有技术的不足。
2、为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
3、本专利技术实施例提供了一种泡沫镍负载nimon的复合层状材料，其包括：泡沫镍以及形成于泡沫镍内、外表面的间充化合物层，所述间充化合物层由nimon构成，所述nimon呈开花仙人掌状结构。
4、本专利技术实施例还提供了一种泡沫镍负载nimon的复合层状材料的制备方法，其包括：
5、提供作为基体的泡沫镍；
6、以及，以惰性气体和氮气为工作气体，以钼靶材为高功率脉冲磁控溅射靶材，采用高功率脉冲磁控溅射复合离子束技术在所述泡沫镍的内、外表面沉积形成间充化合物层，从而制得泡沫镍负载nimon的复合层状材料。
7、本专利技术实施例还提供了前述的制备方法制得的泡沫镍负载nimon的复合层状材料，所述复合层状材料包括泡沫镍以及形成于泡沫镍内、外表面的间充化合物层，所述间充化合物层由nimon构成，所述nimon呈开花仙人掌状结构；所述泡沫镍具有三维多孔结构。
8、本专利技术实施例还提供了一种析氢电极，其至少包括前述的泡沫镍负载nimon的复合层状材料。
9、本专利技术实施例还提供了前述的泡沫镍负载nimon的复合层状材料或析氢电极在电解海水制氢中的应用。
10、与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
11、(1)本专利技术选用的基体是泡沫镍材料，金属ni具有优异的her交换电流密度、适中的吸附h键能、较快的反应速率，且ni的价电子层排布为3d84s2，在析氢过程中，其未成对d电子很容易与h原子的1s轨道作用形成m-h键，促进析氢反应的进行；泡沫镍表面氮化和镀mo处理，n占据晶格中的空隙位置，形成“间充化合物”nimon，改变过渡金属的d带电子态密度和化学环境，从而调整m-h的强度，降低亲氧程度，进一步提高了优异的析氢性能；
12、(2)本专利技术采用高功率脉冲磁控溅射复合离子束技术，在三维多孔泡沫镍基体上制备“开花仙人掌”状的nimon，这不仅解决了析氢反应通常受活性位点数量有限和离子动力学缓慢的困扰，而且提供了更大的活性比表面积、更丰富的活性位点、更短的离子和质子传输距离，大大的增加了析氢反应中与溶液的接触面积，提高了电催化活性和电子传输效率；
13、(3)本专利技术制备的泡沫镍负载的nimon在电化学过程中不易发生沉淀、腐蚀或结构变化，在海水析氢过程中nimon的表面迅速形成富氧活化层，表面的次生mo原子充当电子泵，稳定含氧物种并促进连续反应，而内部的金属氮化物内核则为电子转移提供了有效途径，金属氮化物固有的高稳定性使其适用于海水电解，能更好地抵御海水中的腐蚀和杂质影响；
14、(4)本专利技术制备的泡沫镍负载nimon的复合层状材料的析氢反应是在海水性环境下进行的，海水资源丰富，具有明显的优势，同时制备的复合材料可直接应用现有海水环境电解水系统中；
15、(5)本专利技术制备的泡沫镍负载nimon的复合层状材料具有优异的稳定性和耐蚀性能，恒电位极化24h仍然可以保持良好的形貌，同时原料来源丰富，价格低廉，大大的降低了制备成本；
16、(6)本专利技术采用高功率脉冲磁控溅射复合离子束技术，避免了磁控源承热能力不足而不能工作在高功率状态的限制，实现了高等离子体密度、高离化率和沉积粒子能量的可控调节，减少柱状缺陷的产生，减缓了电化学腐蚀的速度，同时操作简单，工艺简便，适合大规模制备复合层状材料用于工业生产电解海水制氢。
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1.一种泡沫镍负载NiMoN的复合层状材料，其特征在于，包括：泡沫镍以及形成于泡沫镍内、外表面的间充化合物层，所述间充化合物层由NiMoN构成，所述NiMoN呈开花仙人掌状结构。
2.根据权利要求1所述的复合层状材料，其特征在于：所述复合层状材料的比表面积为1.49m2/g～8.23m2/g；
3.根据权利要求1所述的复合层状材料，其特征在于：所述泡沫镍的厚度为1-3mm；和/或，所述泡沫镍的孔隙率为90-95％；
4.一种泡沫镍负载NiMoN的复合层状材料的制备方法，其特征在于，包括：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，具体包括：采用高功率脉冲磁控溅射复合离子束技术，以惰性气体和氮气为工作气体，以钼靶材为高功率脉冲磁控溅射靶材，对所述基体施加偏压并沉积5～18h，从而在所述泡沫镍的内、外表面形成间充化合物层；其中基体偏压为-300V～-600V，高功率脉冲磁控溅射电源的脉冲占空比为1～10％，脉冲频率为400～800Hz，钼靶材的溅射峰值功率密度为50W/cm2～200W/cm2，平均电流为2.0～5.0A；惰性气体的
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述钼靶材的纯度大于99.99％；
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括：在沉积间充化合物层前，先将基体置于高功率脉冲磁控溅射复合离子束薄膜沉积系统中，并将系统升温至500～700℃，抽真空至10-4～5×10-5Pa；之后打开离子束电源，以惰性气体为工作气体，对基体施加偏压进行刻蚀处理10-60min；其中，离子束电流为0.2～0.5A，离子束电压为2000～2500V，惰性气体的流量为100～200sccm，基体偏压为-300V～-600V；
8.由权利要求4-7中任一项所述的制备方法制得的泡沫镍负载NiMoN的复合层状材料，所述复合层状材料包括泡沫镍以及形成于泡沫镍内、外表面的间充化合物层，所述间充化合物层由NiMoN构成，所述NiMoN呈开花仙人掌状结构；所述泡沫镍具有三维多孔结构。
9.一种析氢电极，其特征在于至少包括权利要求1-3、8中任一项所述的泡沫镍负载NiMoN的复合层状材料。
10.权利要求1-3、8中任一项所述的泡沫镍负载NiMoN的复合层状材料或权利要求9所述的析氢电极在电解海水制氢中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种泡沫镍负载nimon的复合层状材料，其特征在于，包括：泡沫镍以及形成于泡沫镍内、外表面的间充化合物层，所述间充化合物层由nimon构成，所述nimon呈开花仙人掌状结构。
2.根据权利要求1所述的复合层状材料，其特征在于：所述复合层状材料的比表面积为1.49m2/g～8.23m2/g；
3.根据权利要求1所述的复合层状材料，其特征在于：所述泡沫镍的厚度为1-3mm；和/或，所述泡沫镍的孔隙率为90-95％；
4.一种泡沫镍负载nimon的复合层状材料的制备方法，其特征在于，包括：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，具体包括：采用高功率脉冲磁控溅射复合离子束技术，以惰性气体和氮气为工作气体，以钼靶材为高功率脉冲磁控溅射靶材，对所述基体施加偏压并沉积5～18h，从而在所述泡沫镍的内、外表面形成间充化合物层；其中基体偏压为-300v～-600v，高功率脉冲磁控溅射电源的脉冲占空比为1～10％，脉冲频率为400～800hz，钼靶材的溅射峰值功率密度为50w/cm2～200w/cm2，平均电流为2.0～5.0a；惰性气体的流量为5～15sccm，氮气的流量为200～400sccm，所述磁控溅射复合离子束技术中采用的离子束电流为0....
【专利技术属性】
技术研发人员：汪爱英，马冠水，杨葳，陈嫦颖，李晓伟，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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