一种多孔NiCu纳米针阵列催化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及催化剂材料制备技术领域，提出了一种可应用于电解水制氢的多孔NiCu纳米针阵列催化剂及其制备方法。

背景技术

随着传统化石能源的耗尽和自然环境的恶化，开发可持续的清洁能源成为了研究热点。氢气具有高能量密度和良好的可压缩性，且唯一的燃烧产物是水，不会造成环境污染，是未来最有希望取代传统化石能源的新型能源之一。电解水制氢技术能够利用水为原料制备氢气，受到广泛关注。电解水制氢技术依赖催化性能优异的电极材料。当前性能最好的电极材料以Pt基为主，经济成本过高难以工业化投产。因此研发成本合理、高催化活性的非贵金属催化电极材料具有重要价值。

电解水反应由析氢反应(HER)与析氧反应(OER)两个半反应组成，催化电极材料的研发通常针对其中一个或两个半反应进行。在非贵金属中，Ni因其具有良好的析氢活性而被广泛研究。大量研究表明，相比单金属Ni材料，通过合金化制备二元或多元催化剂能够焕发更优异的析氢活性。因此以Ni为主要成分之一、引入其它金属元素的制备方法成为了研究热点。根据Norskov吸附能理论和Sabatier中间化合物模型，Cu元素与Ni元素的结合能够得到性能优异的析氢催化电极材料。当前Ni-Cu基HER催化材料已存在大量报道。虽然Ni-Cu基材料的HER催化活性良好，但是距离贵金属Pt系催化剂仍有一定的距离。目前，Ni-Cu基材料较为薄弱的环节是活性位点不足，因此可以围绕这一点提升其催化能力。

发明内容

本发明旨在克服现有Ni-Cu基HER催化材料的不足，提供一种多孔NiCu纳米针阵列催化剂及其制备技术。本发明采用电化学刻蚀-电化学阳极化的方法，先利用Ni和Cu在0.5MH

(1)NiCu母合金条带(NiCu)的制备

利用电弧熔炼技术，按照1:1的原子比例将高纯度Cu与Ni锭块制成NiCu母合金。使用单辊旋淬及喷铸系统将母合金铸锭快速凝固，制备NiCu母合金条带(1×0.2cm

(2)多孔NiCu(p-NiCu)的制备

先后用丙酮和超纯水超声清洗制得的NiCu母合金条带，干燥后与电化学工作站连接作为三电极体系中的工作电极。同时用相同的方法处理金片，用作辅助电极；Ag/AgCl电极作为参比电极，在0.5M H

(3)多孔NiCu纳米针阵列催化剂(p-NiCu NAs)的制备

将上一步制得的多孔NiCu与电化学工作站连接作为三电极体系中的工作电极，清洗过的金片用作辅助电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，在1M KOH中对多孔NiCu进行阳极活化。活化电压为0.6V(vs.Ag/AgCl)，活化时间为400s。活化完成后的材料即为多孔NiCu纳米针阵列催化剂，用超纯水清洗3次，室温下自然干燥。

附图说明

图1(a)NiCu母合金(b)多孔NiCu(c)&(d)多孔NiCu纳米针阵列催化剂的SEM图；

图2相关的XRD图谱；

图3(a)多孔NiCu(b)多孔NiCu纳米针阵列催化剂的EDS图谱；

图4多孔NiCu纳米针阵列催化剂在0.1M KOH中的析氢LSV曲线图；

图5(a)&(b)&(c)各催化剂在非法拉第区的CV曲线图(测试溶液为0.1M KOH)；(d)电流密度随扫描速率的变化曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种多孔NiCu纳米针阵列催化剂及制备方法，具体实施方式如下。

将高纯度Cu与Ni锭块先后用丙酮、无水乙醇与超纯水分别超声清洗20min，按照1:1的原子比例利用电弧熔炼技术制成NiCu母合金。使用单辊旋淬及喷铸系统将母合金铸锭快速凝固，制备NiCu母合金条带(1×0.2cm

先后用丙酮和超纯水分别超声清洗制得的NiCu母合金条带20min，干燥后与电化学工作站连接，作为三电极体系中的工作电极。同时用相同的方法处理金片，用作辅助电极；Ag/AgCl电极作为参比电极，在0.5M H

将上一步制得的多孔NiCu与电化学工作站连接，作为三电极体系中的工作电极，金片用作辅助电极，Ag/AgCl电极作为参比电极。在1M KOH中对多孔NiCu进行阳极活化。活化电压为0.6V(vs.Ag/AgCl)，活化时间为400s。活化完成后的材料即为多孔NiCu纳米针阵列催化剂(p-NiCu NAs)，用超纯水清洗3次，每次20min，室温下自然干燥。

为测试材料的催化活性，采用多孔NiCu纳米针阵列催化剂为工作电极，金片为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，在0.1M KOH(pH＝13)中进行LSV测试。测试电位窗口为-0.9～-1.4V(vs.Ag/AgCl)，扫描速率为2mV·s

为对比多孔NiCu纳米针阵列催化剂与其前驱体的电化学活性面积，于0.1M KOH中采用循环伏安法在非法拉第区间进行扫描(0.02、0.04、0.06、0.08、0.1V·s