NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂及其制备和用途制造技术

本发明专利技术提供一种NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂，所述NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂具有纳米片结构，纳米片的长度为2～5m，厚度为100～200nm。本发明专利技术还提出所述NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂的制备方法和用途。本发明专利技术提供的NiFeP双功能性过渡金属磷化物催化剂，其微观结构是具有较大比表面积的纳米片，作为水分解电催化剂，其具有更好的催化性能。本发明专利技术提出的制备方法，以镍铁化合物、氟化铵和尿素为原料，在基底保温生长NiFe‑LDH纳米片，通过低温磷化，得到NiFeP过渡金属磷化物纳米片。上述操作简单，生产成本低廉，所制备的磷化物催化剂应用在碱性环境下全水解中，具有优异的全水解催化性能。

NiFeP dual function transition metal phosphide catalyst and its preparation and use

The invention provides a NiFeP dual function transition metal phosphide catalyst, the NiFeP dual function transition metal phosphide catalyst with nano structure, nano sheet length is 2 ~ 5m, 100 ~ 200nm thickness. The invention also provides a preparation method and application of the NiFeP dual function of transition metal phosphide catalysts. The invention provides a NiFeP dual functional transition metal phosphide catalyst, its microstructure is larger than nanosheet surface area, as water decomposition catalysts, their catalytic performance is better. The preparation method, the nickel compounds, ammonium fluoride and urea as raw material, thermal insulation in the basal growth of NiFe nano LDH, through low temperature phosphating, NiFeP transition metal phosphide nano film. The operation is simple, the production cost is low, the preparation of the application of phosphide catalyst in alkaline environment the hydrolysis, hydrolysis with excellent catalytic properties.

【技术实现步骤摘要】
NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂及其制备和用途
本专利技术属于电化学领域，具体涉及一种用于电催化分解水的催化剂、及其制备。
技术介绍
近年来，资源短缺和环境污染成为全球面临的两大危机。因此，为了实现人类的可持续发展，开发绿色清洁的可再生能源成为人们迫切需要解决的难题。氢能作为一种清洁、可再生、环境友好、无污染的新能源，引起人们的重视。氢能作为一种全天候的资源可通过电解水制取，而地球上的水资源极其丰富，以水制氢有着无可比拟的巨大优势和广阔的应用前景。目前,最常用的析氢催化剂依然是铂系贵金属,最常见的析氧催化剂则依赖于氧化铱、氧化钌。铂、铱、钌均属于贵金属且在地球上的储量小，不利于其在工业上的推广应用，因此，发展地球含量丰富的非贵金属催化剂势在必行。此前，人们发现过渡金属碳化物、氮化物、硫化物、磷化物等对析氢反应(HER)和析氧反应(OER)都具有很好的催化作用。目前大多数报道的过渡金属析氢催化剂都是在强酸下才具有较强的催化活性，而析氧催化剂只能在碱性条件下稳定存在。因此，如何制备出在碱性环境下具有高催化性能、特别是兼具析氢和析氧双功能性的过渡金属催化剂现在依然是电催化领域的一个亟待解决的难题。目前报道的一些用于碱性环境全水解的三元双功能性磷化物催化剂，其电流密度大都在1.6伏电压下才能达10毫安/厘米2，催化电解水的效率尚不能满足经济发展的需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足之处，提供一种NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂，在碱性电催化析氢、碱性电催化析氧和全水解中表现出优异的催化性能。本专利技术的第二个目的是提出所述NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂的制备。本专利技术的第三个目的是提出NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂的用途。实现本专利技术上述目的的技术方案为：一种NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂，所述NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂具有纳米片结构，所述纳米片的长度为2～5m，厚度为100～200nm。其中，所述NiFeP双功能过渡金属磷化物的化学式为Ni(2-x)FexP，其中x＝0.2～0.8。一种NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂的制备方法，包括步骤:1)将镍盐和铁盐、尿素和氟化铵溶于去离子水中，得到混合溶液；2)将导电基底浸入到步骤1)所得混合溶液中保温得到表面生长有NiFe-LDH纳米片的基底；3)将次亚磷酸钠和步骤2)得到的基底在惰性气体保护下煅烧，煅烧的温度为280～350℃，得到NiFeP过渡金属磷化物纳米片。其中，所述的镍盐和铁盐、次亚磷酸钠均可以是其水合物。其中，所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍中的一种或多种，所述铁盐为硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁的一种或多种，镍盐和铁盐的摩尔比例为(0.5～2)：1。其中，步骤1)中，镍盐、铁盐、尿素和氟化铵总质量与去离子水体积的比例为(10～50g):1L；其中尿素和氟化铵质量比为1：(2～3)。其中，步骤2)中所述导电基底为碳材料或过渡金属制成，选自碳纤维、泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝中的一种；所述保温是在95～110℃、密闭条件下保温5～12小时。其中，步骤3)中将次亚磷酸钠和步骤2)得到的基底置于煅烧设备中，向煅烧设备中通入惰性气体，按照气流方向，将次亚磷酸钠置于所述基底的上游，以2～10℃/min速度升温至280～400℃，然后保温1～2小时。优选地，步骤3)中所述惰性气体为氩气、氮气、氦气中的一种，惰性气体的纯度在99.99％以上，通入的流量为50～100sccm。本专利技术所述NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂在电催化分解水的反应中的用途。进一步地，是用于催化分解碱性水。所述碱性水，可以是水中OH-浓度为0.1～5mol/L的溶液。本专利技术的有益效果在于：相较于已有技术，本专利技术提供的NiFeP双功能性过渡金属磷化物催化剂，其微观结构是具有较大比表面积的纳米片，作为水分解电催化剂，其具有更好的催化性能。本专利技术提出的所述双功能性磷化物催化剂的制备方法，以镍铁化合物，氟化铵和尿素为原料，在基底保温生长NiFe-LDH纳米片，通过低温磷化，得到NiFeP过渡金属磷化物纳米片。上述操作简单，生产成本低廉，所制备的磷化物催化剂应用在碱性环境下全水解中，具有优异的全水解催化性能，在电压为1.55伏下，电流密度即可达10毫安/厘米2。相对于Pt/Ir等贵金属，本专利技术以价格低廉且储量丰富的过渡金属为原料，能够大幅降低电催化剂的成本，且本专利技术提供的NiFeP双功能性催化剂不仅在碱性电催化析氢方面具有优异的性能，在碱性电催化析氧和全水解中也表现出优异的催化性能。附图说明图1是本专利技术制备的NiFe-LDH@NF催化剂纳米片的扫描电子显微镜图片，其中(a)图为NiFe-LDH@NF催化剂纳米片的局部图，(b)图为NiFe-LDH@NF催化剂纳米片的局部放大图；图2是本专利技术制备的NiFe-LDH@CF催化剂纳米片的扫描电子显微镜图片，其中(a)图为NiFe-LDH@CF催化剂纳米片的局部图，(b)图为NiFe-LDH@CF催化剂纳米片的局部放大图；图3是本专利技术制备的NiFeP@NF催化剂纳米片的扫描电子显微镜图片，其中(a)图为NiFeP@NF催化剂纳米片的局部图，(b)图为NiFeP@NF催化剂纳米片的局部放大图；图4是本专利技术制备的NiFeP@CF催化剂纳米片的扫描电子显微镜图片，其中(a)图为NiFeP@CF催化剂纳米片的局部图，(b)图为NiFeP@CF催化剂纳米片的局部放大图；图5是本专利技术制备的NiFeP催化剂纳米片的场发射透射电子显微镜图片；图6是本专利技术制备的NiFeP催化剂纳米片的X射线衍射图；图7是本专利技术制备的NiFeP催化剂纳米片的极化曲线图。具体实施方式以下实施例采用的氟化铵、Ni(NO3)2·6H2O、FeSO4·7H2O、尿素和一水合次亚磷酸钠作为反应原料，其均为国药集团分析纯。实施例1：用分析天平称222mg氟化铵、290mgNi(NO3)2·6H2O、278mgFeSO4·7H2O和600mg尿素依次加入到40ml的去离子水中，搅拌半小时，使溶液混合均匀。依次采用丙酮、醇类溶剂、去离子水分别超声清洗泡沫镍(NF)30min，然后，用0.1M的稀盐酸超声10～20min，最后用去离子水超声清洗30min。将上述清洗好的基底放在50ml反应釜中的聚四氟乙烯内胆中，倒入上述搅拌均匀的混合溶液，密封反应釜，再将其放在鼓风烘箱中在100℃下保温6h，基底上成长有NiFe-LDH纳米片。反应釜温度降到室温后，取出基底，依次用去离子水、无水乙醇清洗。在真空环境下60℃保温3h达到烘干的目的。用扫描电子显微镜(S-4800)观察基底为泡沫镍(NF)的样品，其形貌如附图1所示，基底上长满了均匀分布的纳米片，长度最长可达5μm。将一水合次亚磷酸钠和生长有NiFe-LDH纳米片的基底置于陶瓷舟的两端，一水合次亚磷酸钠在气流上游，将陶瓷舟置于管式炉中，密封好管式炉，用真空泵和高纯氩把石英管中的空气尽数排出，在高纯氩(纯度≥99.999％)的气流下煅烧。以5℃/min的升温速率将石英管从室温加热到300℃，在300℃保温1h,然后让管式炉降温到室温。整个实验保持高纯氩的气流大小为80sccm。降到室温后，基底上的NiF本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂，其特征在于，所述NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂具有纳米片结构，所述纳米片的长度为2～5m，厚度为100～200nm。

【技术特征摘要】
1.一种NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂，其特征在于，所述NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂具有纳米片结构，所述纳米片的长度为2～5m，厚度为100～200nm。2.根据权利要求1所述的NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂，其特征在于，所述NiFeP双功能过渡金属磷化物的化学式为Ni(2-x)FexP，其中x＝0.2～0.8。3.一种NiFeP双功能过渡金属磷化物催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤:1)将镍盐和铁盐、尿素和氟化铵溶于去离子水中，得到混合溶液；2)将导电基底浸入到步骤1)所得混合溶液中保温得到表面生长有NiFe-LDH纳米片的基底；3)将次亚磷酸钠和步骤2)得到的基底在惰性气体保护下煅烧，煅烧的温度为280～350℃，得到NiFeP过渡金属磷化物纳米片。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍中的一种或多种，所述铁盐为硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁的一种或多种，镍盐和铁盐的摩尔比例为(0.5～2)：1。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙向南，祝向伟，王洁洁，张瑞，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11