本發(fā)明涉及電解制氫，具體地說，涉及納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氫氣是一種同時具備物質(zhì)屬性和能量屬性的能源載體，在全球脫碳中具有較高的潛在市場價值。其電解水制氫技術(shù)在實現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型和減緩氣候變化方面具有巨大潛力，但在推廣應(yīng)用過程中仍然需要解決一些技術(shù)和經(jīng)濟上的挑戰(zhàn)，其主要原因是該工藝的效率主要受到陽極析氧反應(yīng)(oer)限制。因為析氧機制為耦合了質(zhì)子的四電子轉(zhuǎn)移步驟，具有較大的反應(yīng)能壘，這導(dǎo)致該過程需要較大的過電位來驅(qū)動oer反應(yīng)。巨大的電能輸入顯著降低了反應(yīng)效率，因為額外的能量以低質(zhì)量的熱量消散，這將會造成大量的能源損失，從而限制了從水分解中大規(guī)模生產(chǎn)氫的可能性。因此，需要設(shè)計更加高效的催化材料來提高oer反應(yīng)動力學(xué)和降低其反應(yīng)的過電位，這對于實現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉串a(chǎn)出和減緩氣候變化有著至關(guān)重要的作用。

2、目前，在堿性條件下，一些過渡金屬基催化材料具有優(yōu)秀的oer性能，并且由于這些金屬比鉑族貴金屬便宜且豐度大，因此人們對如何提升過渡金屬催化材料析氧能力的研究非常感興趣。大量研究表明多組合過渡金屬催化材料(如鈣鈦礦、焦綠石、尖晶石和水滑石等)能夠顯著增強oer性能。鎳基催化劑的活性與ruo2和iro2基準催化劑相當，成為最有商業(yè)應(yīng)用前景的oer催化材料，因此在大型工業(yè)堿性電解槽的陽極多以鎳及其合金為主。商業(yè)泡沫鎳具有三維多孔結(jié)構(gòu)，將有利于反應(yīng)過程中離子傳輸和電荷傳導(dǎo)；因此可直接充當oer陽極材料或支撐基底用于原位負載過渡金屬相。近年，大量報道表明fe能夠顯著促進ni的oer活性，本應(yīng)用則發(fā)明了基于熔鹽方法，在泡沫鎳基底表面原位生長出鎳鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在oer反應(yīng)中具有強的組分間協(xié)同效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)中，不同組分界面間的鍵合作用可提升電子轉(zhuǎn)移速率。異質(zhì)結(jié)中不同的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)也會引起諸如拉伸和壓縮等晶格應(yīng)變，影響位點對中間體的吸附能，提高材料催化活性。并且在異質(zhì)結(jié)中，不同相的能帶排列不同也會導(dǎo)致在界面處發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，這有利于調(diào)節(jié)異質(zhì)結(jié)的表面電子結(jié)構(gòu)。

3、目前，水熱方法和氣相、固相法等合成技術(shù)廣泛用于制備鎳基電極材料。然而，這些方法通常需要高溫高壓等條件，并耗損大量的水資源和能量，產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，導(dǎo)致分離和純化工作繁瑣。這些缺點最終導(dǎo)致合成成本飆升和工業(yè)化應(yīng)用前景渺茫。相比之下，直接熔鹽法，操作簡單，且不需要控制太多合成參數(shù)，可用于合成各種類型oer催化劑。此外，基底的幾何形貌也會顯著影響電催化活性。對于二維平面基底，其比表面積比較小，并且排布緊密，不利于氣泡從電極表面即時脫附，并且其暴露的活性位點數(shù)有限。本發(fā)明使用的商業(yè)泡沫鎳基底是一種用于電催化的常見材料：其高的電導(dǎo)性有利于電催化過程的電子傳遞，從而提高了電化學(xué)反應(yīng)的效率；其三維多孔結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，這有利于提高催化活性位點數(shù)目，增加反應(yīng)的接觸面積，從而提高催化效率。鎳鐵活性相原位錨定在基底表面，不需要使用有機粘結(jié)劑，金屬-載體之間結(jié)合力強，因此合成的樣品具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，能夠在長時間的使用過程中保持穩(wěn)定的催化活性。通過調(diào)控制備方法能夠進一步設(shè)計和改變泡沫鎳基底表面的質(zhì)構(gòu)特征和化學(xué)性質(zhì)，從而實現(xiàn)對其催化性能的優(yōu)化與改進。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、<本發(fā)明解決的技術(shù)問題>

2、用以解決現(xiàn)有技術(shù)中oer催化劑存在的由于催化劑合成步驟繁瑣導(dǎo)致的大規(guī)模制備難，高能耗高導(dǎo)致的反應(yīng)效率低，以及反應(yīng)過程中性能下降引起的使用壽命短等關(guān)鍵問題。

3、<本發(fā)明采用的技術(shù)方案>

4、針對上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料的簡易制備和應(yīng)用。

5、具體內(nèi)容如下：

6、第一，本發(fā)明提供了一種納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，

7、形成均勻的微米片狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其片狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生長在泡沫鎳基底表面上，并且網(wǎng)狀和片狀中鑲嵌著小尺寸的納米球顆粒從而形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)；

8、納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料是以硝酸鎳和硝酸鐵藥品為反應(yīng)原料，將泡沫鎳基底置于硝酸鎳和硝酸鐵粉末藥品中，經(jīng)熔鹽反應(yīng)處理得到。

9、第二，本發(fā)明提供了一種由前述提及的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料在電解水制氫中的應(yīng)用。

10、<本發(fā)明達到的有益效果>

11、本發(fā)明通過放置金屬泡沫鎳基底在硝酸鎳和硝酸鐵組成的熔鹽體系中，進行加熱反應(yīng)使泡沫鎳表面原位生長出納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料。在納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵中，大量小尺寸納米球顆粒均勻鑲嵌在微米片狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中組成。納米球鑲嵌的片、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能使電解液與材料的接觸面積變大、提供更大的比表面積、并且片狀結(jié)構(gòu)能刺破氣泡，有利于電解液擴散和浸透，以及產(chǎn)生的氣泡快速脫離電極表面。

12、本發(fā)明快速將廉價的商用金屬泡沫鎳基底增值轉(zhuǎn)化成高活性、高穩(wěn)定的析氧催化劑。其異質(zhì)結(jié)構(gòu)直接均勻生長在金屬泡沫鎳基底上，與基底強力結(jié)合，避免了使用粘結(jié)劑粘結(jié)電極和催化活性位點的大量覆蓋填埋?？捎行Ы鉀Q現(xiàn)有oer電催化劑中存在的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和oer穩(wěn)定性衰減等關(guān)鍵問題。

13、本發(fā)明采用商用金屬泡沫鎳作為基底材料，在與鎳鐵熔鹽體系發(fā)生置換反應(yīng)過程中，其表面被功能化成鎳鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠在催化劑表面引入額外的活性位點，增加催化材料與反應(yīng)物之間的接觸面積和吸附程度，最終增加oer過程中的反應(yīng)速率和降低反應(yīng)能耗。

14、本發(fā)明硝酸鎳和硝酸鐵混合藥品作為二元熔鹽反應(yīng)介質(zhì)，通過在常壓條件下與商用金屬泡沫鎳發(fā)生快速腐蝕反應(yīng)，能夠高產(chǎn)量制備出具有優(yōu)異析氧性能的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料。該方法所使用的原料豐富、方法簡單，有效避免了高溫、高壓、強酸強堿、長時間(數(shù)天)，多步驟、高精密設(shè)備等嚴苛合成條件。該一步合成方法具有操作極其簡單，容易放大，制備周期短，能耗小等優(yōu)點。因此，更具有較高的工業(yè)化應(yīng)用前景。

15、本發(fā)明得到的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，大量的活性位點，優(yōu)異的導(dǎo)電性，強大的界面效應(yīng)，快速的電子轉(zhuǎn)移速率，最終提供了顯著的oer性能和長期的穩(wěn)定性。將最優(yōu)條件下的材料(標記為nf-nife)放入1m?koh電解液介質(zhì)下進行電解水，其在10macm-2電流密度下的過電位僅為106.8mv，遠低于商業(yè)材料的過電位以及其他先進催化材料。在恒電壓極化條件下，nf-nife至少能夠穩(wěn)定維持1a?cm-2電流密度700小時，并且穩(wěn)定測試后的樣品依舊能在10ma?cm-2電流密度下?lián)碛?09.8mv的過電位。這些都表明納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料在oer反應(yīng)中的優(yōu)越性。

技術(shù)特征：

1.一種納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，其特征在于，形成均勻的微米片狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其片狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)位于泡沫鎳基底表面上，并且網(wǎng)狀和片狀中鑲嵌著小尺寸納米球顆粒從而形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，其特征在于，納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料是以硝酸鎳和硝酸鐵藥品為反應(yīng)試劑，將泡沫鎳基底置于硝酸鎳和硝酸鐵粉末中，經(jīng)熔鹽反應(yīng)處理得到。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，其特征在于，微米片狀和網(wǎng)狀中鑲嵌著更小尺寸的納米球狀結(jié)構(gòu)，他們共同形成異質(zhì)結(jié)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，其特征在于，微米片狀的尺寸約為1μm～3μm，納米球的直徑約為50-200nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，其特征在于，接觸電解液的催化劑電極片的尺寸為：長1cm×寬1cm×厚0.1cm。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，其特征在于，反應(yīng)藥品中，硝酸鎳與硝酸鐵的摩爾比為5mmol:1mmol，重量為1.45g:0.404g。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，其特征在于，將泡沫鎳基底置于充分混合的反應(yīng)藥品中。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，其特征在于，金屬基底經(jīng)120℃的熔鹽處理。

9.根據(jù)權(quán)利要8所述的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，其特征在于，反應(yīng)時間為10h。

10.一種如權(quán)利要求1至9中任意一項所述的納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料在電解制氫的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電解制氫技術(shù)領(lǐng)域，公開了納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料的應(yīng)用，納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料，是在商業(yè)泡沫金屬上原位生長的鎳鐵復(fù)合物所構(gòu)建的微米片狀和網(wǎng)狀與納米球鑲嵌的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其片狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)位于泡沫鎳基底表面，納米球鑲嵌在微米片狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上；其納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料是以商業(yè)泡沫鎳材料為基底，將泡沫鎳基底置于硝酸鎳和硝酸鐵混合物中，經(jīng)熔鹽反應(yīng)處理得到。本發(fā)明快速簡單的將廉價的商業(yè)泡沫鎳基底增值轉(zhuǎn)化成高活性、高穩(wěn)定的析氧催化劑。納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料是在泡沫鎳基底和硝酸鎳與硝酸鐵發(fā)生置換反應(yīng)時將鎳鐵元素牢牢錨定在基底表面同時實現(xiàn)對基底表面形貌特征的調(diào)控，可有效生成微米片狀和網(wǎng)狀與納米球相嵌的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其納米異質(zhì)結(jié)鎳鐵材料能夠解決現(xiàn)有OER電催化劑中存在的電解水不穩(wěn)定、性能低下、成本昂貴等問題。

技術(shù)研發(fā)人員：鄧杰,簡瑞,馮俊杰,張御峰,王治鈔,王盼,李露明,康輝
受保護的技術(shù)使用者：成都大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21