一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料制造技术

本发明专利技术公开了一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料，采用水热磷化法制备得到，且采用了杂原子掺杂的策略进行改性，最终得到的钨掺杂磷化镍双功能催化材料在HER、OER以及全水解方面都具有优异的性能。OER以及全水解方面都具有优异的性能。OER以及全水解方面都具有优异的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料


[0001]本专利技术涉及催化材料生产
，特别涉及一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料。

技术介绍

[0002]目前，由于不可再生能源的短缺和环境污染问题的日渐突出，探索和开发环境友好型的新能源成为了研究者们关注的热点问题。近年来，氢能源的开发和利用引起了研究者们的广泛关注，因为其本身具有无污染、热值高等优异的特点。从而，各种制氢技术应运而生。在众多的制氢工艺中，电解水制氢是一种清洁且高效的制氢方法，其反应过程包括析氢反应（HER）和析氧反应（OER）。
[0003]用于析氢反应和析氧反应的传统催化剂分别为Pt基和Ir/Ru催化剂，该类催化剂皆为贵金属催化剂，具有稀缺性和价格昂贵的缺点，因此很大程度上限制了该类催化剂在实际电解水过程中的广泛应用。由此可见，研究和开发一种储存量高、价格低廉、性能优异且可广泛应用于工业生产的非贵金属的催化材料（如镍基等）对于电解水过程来说至关重要。
[0004]过渡金属元素由于其本身具有储量高、价格低的优点，因此可以作为贵金属催化剂的有效替代品。但是过渡金属基催化剂在性能上还远比不上传统贵金属催化剂，需要对其进行改性来提升性能及其稳定性。一般来说，杂原子的掺杂是一种较好的改性过渡金属基催化剂的方法。另外，由于HER和OER的活性和稳定性不相容，过渡金属基催化剂难以在同一介质中共同作用。因此，开发一种可用于HER和OER的双功能催化材料具有良好的应用前景。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料，可以用于替代传统贵金属催化剂，在碱性电解质中表现出了优异的析氢催化活性和析氧催化活性，以及较强的催化稳定性。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料，通过以下步骤制备而成：步骤一、水热合成生长在碳布上的钨镍氢氧化物前驱体：将尿素、氟化铵、硝酸镍、偏钨酸铵加到去离子水中，充分搅拌得到混合均匀的前驱体溶液；将前驱体溶液以及预处理过的碳布转移至带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜，经过水热反应得到了生长在碳布上的钨镍氢氧化物前驱体；步骤二、磷化：将次磷酸钠和生长在碳布上的钨镍氢氧化物前驱体分别置于瓷舟的上游和下游，然后将瓷舟放入管式炉中进行煅烧，加热过程中通入氩气作为保护气体，最终得到的具有
交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料。
[0007]本专利技术采用碳布作为导电基底以及纳米片催化材料的生长基底，制备所得的钨掺杂磷化镍双功能催化材料在碳布纤维上具有交叉且致密的纳米片结构。
[0008]纳米片是通过水热反应在碳布上原位生长所得到的。常规的镍基催化剂催化性能较差，本专利技术的催化性能大大提升；本专利技术对催化性能提升是因为相比较与未掺杂的磷化镍催化剂，钨掺杂磷化镍双功能催化材料的纳米片尺寸更小且更加致密，这种致密纳米片具有更大的比表面积，因此暴露出更多的活性位点使得催化性能得到提升。
[0009]由于目前许多过渡金属催化剂在同一介质中不能同时实现HER和OER催化反应，本专利技术所得到的催化材料通过对其进行的全解水测试证明其可以在同一介质中同时实现HER和OER催化反应，且具有较好的活性和稳定性。
[0010]本专利技术采用水热磷化法制备得到催化材料，就有简便易行的优点，且采用了杂原子掺杂的策略进行改性，最终得到的钨掺杂磷化镍双功能催化材料在HER、OER以及全水解方面都具有优异的性能。
[0011]碳布的预处理方法为：将剪切好的碳布和浓硝酸共同转移到带有聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在90
±
5℃温度下保温2
‑
3h，结束之后用乙醇和去离子水分别进行超声清洗。浓硝酸的质量浓度为65%
‑
70%。
[0012]前驱体溶液的原料配比如下：尿素10
‑
20mM，氟化铵5
‑
10 mM，硝酸镍1.5
‑
2.5 mM，偏钨酸铵0.005
‑
0.025 mM，去离子水30
‑
40 mL。
[0013]作为优选，偏钨酸铵：硝酸镍：氟化铵：尿素的摩尔配比为0.1：1：3：5。
[0014]水热反应的条件为：水热温度为110
ꢀ±ꢀ
10℃，水热时间为5
‑
8 h。
[0015]氩气的流速控制在140
‑
160sccm。
[0016]次磷酸钠：硝酸镍的摩尔比为1.7
‑
3:1。
[0017]磷化过程分为三个阶段：第一阶段：从室温升温至350
±
50℃，升温速率为4
‑
6℃/min；第二阶段：保温阶段，在350
±
50℃温度下恒温2
‑
3 h，第三阶段：自然冷却到室温。
[0018]本专利技术的有益效果是：1、本专利技术的钨掺杂磷化镍双功能催化材料，在1M KOH 碱性介质中，该催化材料在析氢反应（HER）过程中仅需要71 mV的过电位就可以达到10 mA/cm2的电流密度，在析氧反应（OER）过程中仅需要308 mV的电压可驱动20 mA/cm2的电流密度。另外，在碱性介质中的全解水过程中，到达20 mA/cm2的电流密度所需要的电压仅为1.55 V。同时该催化剂具有极强的稳定性，可以保证至少40 h内稳定性不下降。
[0019]2、本专利技术的原材料采用了储存量丰富且价格低廉的非贵金属元素，另外其制备方法结合了水热和磷化两种简单的反应过程，可重复性高，最终得到的双功能催化剂性能优于相同条件下制备得到的磷化镍催化剂。由此可见，这是一种非常高效且稳定的析氢催化材料，且具有巨大的工业应用潜力和商业价值。
附图说明
[0020]图1是本专利技术制备的一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料的X射线衍射(XRD)测试谱图。
[0021]图2是本专利技术制备的一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料的
扫描电子显微镜（SEM）图。
[0022]图3是本专利技术制备的一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料的高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF
‑
STEM）图。
[0023]图4是本专利技术制备的一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料在1 M KOH碱性环境中HER所对应的LSV对比曲线和稳定性测试曲线。
[0024]图5是本专利技术制备的一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料1 M KOH碱性环境中OER所对应的LSV对比曲线和稳定性测试曲线。
[0025]图6是本专利技术制备的一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料1 M KOH碱性环境中全水解对应的LSV对比曲线和稳定性测试曲线。
具体实施方式
[0026]下面通过具体实施例，对本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料，其特征在于，通过以下步骤制备而成：步骤一、水热合成生长在碳布上的钨镍氢氧化物前驱体：将尿素、氟化铵、硝酸镍、偏钨酸铵加到去离子水中，充分搅拌得到混合均匀的前驱体溶液；将前驱体溶液以及预处理过的碳布转移至带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜，经过水热反应得到了生长在碳布上的钨镍氢氧化物前驱体；步骤二、磷化：将次磷酸钠和生长在碳布上的钨镍氢氧化物前驱体分别置于瓷舟的上游和下游，然后将瓷舟放入管式炉中进行煅烧，加热过程中通入氩气作为保护气体，最终得到的具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料。2.根据权利要求1所述的一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料，其特征在于，碳布的预处理方法为：将剪切好的碳布和浓硝酸共同转移到带有聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在90
±
5℃温度下保温2
‑
3h，结束之后用乙醇和去离子水分别进行超声清洗。3.根据权利要求1所述的一种具有交叉纳米片结构的钨掺杂磷化镍双功能催化材料，其特征在于，前驱体溶液的原料配比如下：尿素10
‑
20mM，氟化铵5
‑
10 mM，硝酸镍1.5
‑
2.5 mM，偏钨酸铵0.005
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【专利技术属性】
技术研发人员：张明，李珊珊，吴煜栋，刘远建，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：