本發(fā)明涉及析氫催化劑的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在傳統(tǒng)化石能源日益枯竭的情況下，人類正面臨著尋找高效、清潔和可持續(xù)替代能源的重大挑戰(zhàn)。氫能因其高能量密度、環(huán)保和可再生等特點(diǎn)，被視為最具潛力的替代能源之一。目前，電解水制氫技術(shù)以其穩(wěn)定性、低污染和高效性，已成為主要的氫氣生產(chǎn)方式。然而，提高氫氣生產(chǎn)效率的關(guān)鍵在于開發(fā)具有高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑。盡管貴金屬催化劑在電解水制氫方面表現(xiàn)出色，但由于其高成本，行業(yè)亟需廉價的過渡金屬基替代品，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、有效和穩(wěn)定的催化劑開發(fā)。

2、近年來，過渡金屬磷化物(tmps)作為電催化水分解的潛在替代催化劑顯示出廣闊的應(yīng)用前景，可用于催化析氫(her)和析氧(oer)反應(yīng)。然而，目前這些材料在電催化性能方面還存在一定的缺陷，包括活性位點(diǎn)利用率低、化學(xué)吸附和解吸動力學(xué)不理想，以及電子轉(zhuǎn)移速率不高。此外，它們的穩(wěn)定性和制備成本也需要進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的過渡金屬磷化物催化劑的活性位點(diǎn)利用率低和導(dǎo)電性差的問題，而提供一種3d多孔蜂窩狀nifep/c(c為碳紙或碳布)析氫催化劑的制備方法。該方法通過強(qiáng)界面相互作用、加速電子轉(zhuǎn)移和偶聯(lián)組分的協(xié)同作用，來提高催化劑her活性。其中的ni2p和fep之間的內(nèi)建電場和緊密的界面接觸導(dǎo)致了快速的電荷轉(zhuǎn)移，可以顯著提升催化活性和穩(wěn)定性。同時本發(fā)明利用多級分層化的溶劑熱和磷化熱解以實(shí)現(xiàn)對磷化程度、相組成、納米結(jié)構(gòu)的形貌和尺寸的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，本發(fā)明利用了精準(zhǔn)可控的合成方法和界面間強(qiáng)電子相互作用大幅度提高nifep/c析氫催化劑的導(dǎo)電性和催化位點(diǎn)活性，實(shí)現(xiàn)了出色的電催化析氫性能。

2、本發(fā)明的3d多孔蜂窩狀nifep/c析氫催化劑的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：

3、一、先將碳紙或碳布依次進(jìn)行除雜質(zhì)和親水性處理，然后用去離子水超聲清洗，得到碳基底；

4、二、將ni源、尿素和氟化銨加入到溶劑ⅰ中攪拌溶解，得到混合液?。辉賹⒒旌弦孩∞D(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，再將碳基底浸于反應(yīng)釜中的混合液ⅰ中；將反應(yīng)釜密封后放入溫度120～220℃的爐中保持3～24小時進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，將碳基底取出洗滌并干燥，得到前驅(qū)體?。?/p>

5、三、將鐵源、鋁源、尿素和表面活性劑加入到溶劑ⅱ中攪拌溶解，得到混合液ⅱ；再將混合液ⅱ轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，再將前驅(qū)體ⅰ浸于反應(yīng)釜中的混合液ⅱ中；將反應(yīng)釜密封后放入溫度120～220℃的爐中保持3～24小時進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，將碳基底取出洗滌并干燥，得到前驅(qū)體ⅱ；

6、四、將前驅(qū)體ⅱ放入瓷舟中，并將瓷舟置于石英管式爐的下游，將磷源置于石英管式爐的上游，向石英管式爐中通入氬氣或氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，將石英管式爐的溫度以2～20℃·min-1的升溫速率升至350～550℃并保持1～5h進(jìn)行高溫磷化，降至常溫，得到3d多孔蜂窩狀nifep/c析氫催化劑。

7、更進(jìn)一步地，步驟一中所述的碳紙或碳布除雜質(zhì)的方法為溶劑清洗、堿性清洗、電化學(xué)處理、等離子體處理和微波處理中的一種或幾種。

8、更進(jìn)一步地，步驟一中所述的碳紙或碳布親水性處理的方法為熱處理氧化法、液相處理法、乳化清洗法、超聲波清洗法、電解清洗法、蒸汽除油法和酸洗法中的一種或幾種。

9、更進(jìn)一步地，步驟二中所述的ni源為氯化鎳、硝酸鎳、乙酸鎳和硫酸鎳中的一種或幾種。

10、更進(jìn)一步地，步驟二中所述的混合液ⅰ中，鎳源濃度為0.005～0.5mol/l，尿素的濃度為0.01～0.3mol/l；氟化銨濃度為0.01～0.3mol/l。

11、更進(jìn)一步地，步驟二中所述的混合液ⅰ中，鎳源濃度為0.006～0.024mol/l，尿素的濃度為0.015～0.04mol/l；氟化銨濃度為0.015～0.03mol/l。

12、更進(jìn)一步地，步驟二中所述的混合液ⅰ中，鎳源、尿素、氟化銨的物質(zhì)的量之比為1：(1.3～6)：(0.9～5)。

13、更進(jìn)一步地，步驟二中所述的攪拌是在轉(zhuǎn)速為50～500轉(zhuǎn)/分鐘的條件下攪拌5～60min。

14、更進(jìn)一步地，步驟二中所述的溶劑ⅰ為水、乙醇和甲醇中的一種或幾種。

15、更進(jìn)一步地，步驟二中所述的干燥溫度為60℃，干燥時間為6～24h。

16、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的fe源為氯化鐵、硝酸鐵和硫酸鎳中的一種或幾種。

17、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的al源為氯化鋁、硝酸鋁、硅酸鋁和硫酸鋁中的一種或幾種。

18、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的混合液ⅱ中，鐵源的濃度為0.005～0.5mol/l；鋁源濃度為0.005～0.5mol/l；尿素濃度為0.01～0.3mol/l。

19、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的混合液ⅱ中，鐵源的濃度為0.005～0.02mol/l；鋁源濃度為0.005～0.01mol/l；尿素濃度為0.015～0.04mol/l。

20、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的混合液ⅱ中，鐵源、鋁源與尿素的物質(zhì)的量之比為1：(0.3～1.5)：(2.0～7.5)。

21、更進(jìn)一步地，步驟二中所述的ni源與步驟三中所述的鐵源的物質(zhì)的量之比為1:(0.2～3.5)。

22、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基磺酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮中的一種或幾種。

23、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的混合液ⅱ中，表面活性劑的質(zhì)量百分含量為1％～15％。

24、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的攪拌是在轉(zhuǎn)速為50～500轉(zhuǎn)/分鐘的條件下攪拌5～60min。

25、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的溶劑ⅱ為水、乙醇和甲醇中的一種或幾種。

26、更進(jìn)一步地，步驟三中所述的干燥溫度為60℃，干燥時間為6～24h。

27、更進(jìn)一步地，步驟四中所述的磷源為次磷酸鈉、三甲基磷中的一種或兩種。

28、更進(jìn)一步地，步驟四中所述的氬氣或氮?dú)獾耐馑俾蕿?～100sccm。

29、上述方法制備的3d多孔蜂窩狀nifep/c析氫催化劑是由碳紙或碳布基底材的自支撐材料。

30、上述方法制備的3d多孔蜂窩狀nifep/c析氫催化劑的應(yīng)用是將該材料用于電解水制氫中。

31、本發(fā)明制備的3d多孔蜂窩狀nifep/c析氫催化劑是一種高效析氫催化劑，這種復(fù)合材料的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面。

32、1、高催化活性位點(diǎn)密度：由兩步水熱分級精準(zhǔn)控制，生成3d多孔互聯(lián)結(jié)構(gòu)的nifep/c復(fù)合材料，其表面擁有更多的活性位點(diǎn)，有助于顯著提高催化反應(yīng)的速率以及水和氫氣的吸附和解析。增強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移速率：nifep/c的高導(dǎo)電性確保了快速的電子轉(zhuǎn)移，從而提升了電催化反應(yīng)的效率。

33、2、精準(zhǔn)可控的合成方法：多級分層化的溶劑熱和磷化熱解可以實(shí)現(xiàn)對磷化程度、相組成、納米結(jié)構(gòu)的形貌和尺寸精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

34、3、卓越的穩(wěn)定性：該復(fù)合材料在酸性電解水條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，保證了長期使用的可靠性。

35、4、低成本和易制備：nifep/c復(fù)合材料的制備過程相對簡單且成本低廉，具備良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

36、此外，本發(fā)明的nifep/c復(fù)合材料在酸性電解質(zhì)溶液中具有低析氫過電位的特點(diǎn)，在電流密度為10ma·cm2時，過電位僅為78～90mv(her)，并且表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。本發(fā)明的nifep/c復(fù)合材料的制備方法，其制備工藝易操作，成本低廉、設(shè)備投資少，可控性高、反應(yīng)條件溫和、占地面積小及環(huán)境友好，用于電解水制氫領(lǐng)域。