一种质子化辅助界面电荷自调控电催化材料的制备方法和应用技术

一种质子化辅助界面电荷自调控电催化材料的制备方法和应用，属于电解水催化剂材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种质子化辅助界面电荷自调控电催化材料的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种原位生长在碳纤维上的
WO3通过质子化自调控
NiP
界面电荷的
NiP/WO3纳米复合材料的制备方法，属于电解水催化剂材料

。

技术介绍

[0002]氢能作为一种清洁
、
可再生的能源，具有高能量密度，便于储存运输和零二氧化碳排放的优点，被视为最理想的能源载体和最有潜力的传统化石能源的替代能源
。
电解水制氢是一种将电能转化为化学能生产高纯氢气的有效技术，被认为是获得氢能的一种非常有前途
、
最清洁的方法
。
与碱性电解水相比，基于酸性固体聚合物电解质的水裂解具有更高的电流密度
、
更高的能量效率和更少的气体交叉，具有明显的优势
。
高效析氢反应
(HER)
催化剂是水电解技术中实现高性能制氢的关键
。
在酸性介质中，铂
(Pt)
仍被认为是一种理想的
HER
电催化剂，因为它具有快速的反应动力学和接近零的
HER
过电位，这归因于它良好的氢吸附性质
。
然而，
Pt
基催化剂的天然稀缺性和高成本使其在商业上的可行性受到严重影响
。
为了实现高效的酸性析氢，迫切需要开发可替代的非贵金属
HER
催化剂
。
迄今为止，已经开发了许多策略来设计酸性
HER
催化剂
。
例如，可以通过相工程
、
几何结构和氢吸附策略来提高催化活性
。
尽管付出了很大的努力，但大多数无
Pt
催化剂在酸性介质中的
HER
性能并不理想
。
界面工程为开发无贵金属催化剂提供了有效的策略，被认为是非常有效的可以定制催化剂的
H
吸附强度和转化机理以获得高活性的方法
。
然而，质子的长迁移路径和异质界面上不理想的电子输运阻力阻碍了高效酸性制氢的进展
。
通过引入肖特基结并在界面处形成内建电场可以实现异质界面上的电子转移，其中功函数起着关键作用，电子的输运能力和方向可以很容易地由功函数控制
。
鉴于腐蚀性的酸性介质使得大多数非贵金属催化剂无法电催化水分解，设计和制备一种质子化诱导的界面电荷自调控电催化材料是非常先进且具有重要意义的
。

技术实现思路

[0003]针对现有的技术问题，本专利技术的首要目的在于提供一种在碳纤维上原位生长的
WO3调控的
NiP
纳米复合材料
NiP/WO3的制备方法
。
[0004]该方法主要特征在于，通过简单便捷的水热法和电化学沉积方法制备在碳纤维上原位生长的
WO3调控的
NiP
纳米复合材料
NiP/WO3，包括如下步骤：
[0005](1)
碳纤维上
WO3纳米片的合成：
[0006]采用水热反应法合成了
WO3纳米片
。
具体而言，水热反应的前驱溶液包含
1:1
摩尔比的钨酸钠和草酸铵，采用盐酸调节溶液
pH
至酸性，然后将洗涤干净的碳纤维片放在聚四氟乙烯水热反应容器中，在
110℃
下进行水热反应
60
～
120
分钟，用去离子水洗涤3次，室温干燥
24
小时；
[0007](2)WO3纳米片上生长
NiP
纳米颗粒：
[0008]采用电化学沉积法合成了
NiP
纳米颗粒
。
将上述得到的含有
WO3纳米片的碳纤维作为工作电极，浸没在含有摩尔比为
2:3
的氯化镍和次磷酸钠的电解液中，同时石墨片作为对电极，甘汞电极作为参比电极，采用电化学工作站施加持续的
‑
1V
工作电压
100
～
150
秒，完成后将工作电极用去离子水洗涤3次，室温干燥
24
小时；
[0009]本专利技术的另一目的，在于提供一种在碳纤维上原位生长的
WO3调控的
NiP
纳米复合材料
NiP/WO3，其中
NiP
和
WO3之间形成异质结，
NiP
为非晶态，
WO3结晶态的纳米片
。
[0010]在酸性条件下
NiP/WO3质子化自调控形成
NiP/H
x
WO3，
NiP/H
x
WO3促进优化电解水制氢
。
[0011]所得碳纤维上原位生长的
WO3调控的
NiP
纳米复合材料
NiP/WO3的应用，采用饱和甘汞电极作为参比电极，石墨作为对电极，碳纤维上原位生长的
WO3调控的
NiP
纳米复合材料
NiP/WO3作为工作电极，与酸性水溶液
(
优选
0.5M
的硫酸溶液
)
组成三电极电化学系统进行电解水制氢
。
进一步优选采用0至
‑
0.35V
电压；扫描方向由0到
‑
0.35V。
实现循环稳定性，循环
10000
次性能基本不变
。
[0012]本专利技术的另一目的，在于提供一种在碳纤维上原位生长的
WO3调控的
NiP
纳米复合材料
NiP/WO3。
将得到的材料组装成三电极体系，利用电化学工作站
CHI660E
在酸性条件下对催化剂的电解水析氢性能进行测试；在酸性条件下
NiP/WO3质子化形成
NiP/H
x
WO3，对纳米复合材料
NiP/WO3在测试过程中质子化为
NiP/H
x
WO3的过程以及机理
、
提高电解水制氢催化性能的原因进行研究及分析
。
[0013]本专利技术的另一目的，在于提供一种在碳纤维上原位生长的
WO3调控的
NiP
纳米复合材料
NiP/WO3。
将得到的材料结构进行建模，利用
VASP
通过密度泛函理论揭示了质子化过程对
WO3功函数的影响以及通过功函数差调控界面输运能力和方向以定制催化剂的
H
吸附强度和转化机理以获得高活性的方法
。
[0014]本专利技术的有益效果：
[0015](1)
本专利技术采用碳纤维作为导电基底构建了一种三维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种质子化辅助界面电荷自调控电催化材料的制备方法，其特征在于，通过简单便捷的水热法和电化学沉积方法制备在碳纤维上原位生长的
WO3调控的
NiP
纳米复合材料
NiP/WO3；包括以下步骤：
(1)
碳纤维上
WO3纳米片的合成：采用水热反应法合成了
WO3纳米片；具体而言，水热反应的前驱溶液包含
1:1
摩尔比的二水钨酸钠和草酸铵，采用盐酸调节溶液
pH
至酸性，然后将洗涤干净的碳纤维片放在聚四氟乙烯水热反应容器中，在
110℃
下进行水热反应
60
～
120
分钟，用去离子水洗涤3次，室温干燥
24
小时；
(2)WO3纳米片上生长
NiP
纳米颗粒：采用电化学沉积法合成了
NiP
纳米颗粒；将上述得到的含有
WO3纳米片的碳纤维作为工作电极，浸没在含有摩尔比为
2:3
的六水氯化镍和次磷酸钠的电解液中，同时石墨片作为对电极，甘汞电极作为参比电极，采用电化学工作站施加持续的
‑
1V
工作电压
100
～
150
秒，完成后将工作电极用去离子水洗涤，室温干燥
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周开岭，曾垂涛，金玉红，张倩倩，刘晶冰，汪浩，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：