一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及电催化剂技术领域，特别涉及一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

电解水是现代清洁能源中制备氢气的有效方法。在电解过程中，阳极的关键过程析氧反应(OER)由于一个四电子转移过程具有较大的反应动力学而被认为是整体水分解的主要障碍。为了解决这些问题，人们开展了大量的研究工作以降低过电位。尽管有报道称贵金属钌(RuO

此外，贵金属催化剂的构成元素具有极高的成本和较低的丰度，这限制了它们的使用。镍、铁等过渡金属逐渐引起人们的关注。镍基多孔泡沫材料由于泡沫骨架提供了较大的比表面积被广泛使用。然而，大量研究表明，纯的Ni的氧化物/氢氧化物作为电催化剂并没有氧化活性。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂及其制备方法与应用，旨在解决现有水氧化电催化剂电催化性能较差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的制备方法，其中，包括步骤：

对泡沫镍铁合金依次进行超声清洗和真空干燥处理后，备用；

将阳极和阴极的一端置于硼酸溶液中，另一端通过导线连接在直流电源上，将所述泡沫镍铁合金放置于硼酸溶液中并与所述阳极一端接触，设置直流电源的电压为4V，通电时间为60-120s，在所述泡沫镍铁合金表面生成纳米片状的镍铁氢氧化物材料，制得所述氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂。

所述氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的制备方法，其中，通电时间为90s。

一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂，其中，采用本发明氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的制备方法制得。

一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的应用，其中，将本发明所述的氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂用于电解水制氢。

有益效果：本发明通过简单的电化学腐蚀方法在泡沫镍铁合金上形成纳米片状的镍铁氢氧化物材料，纳米片状的镍铁氢氧化物材料均匀分布在电极表面，以形成高效的三维结构阳极NiFe-LDH-60-120(电腐蚀时间为60-120s)，同时，镍铁紧密结合形成协同作用大大提高了材料的电化学性能。通过测试发现，NiFe-LDH-90(电腐蚀时间为90s)电极仅需要η＝174mV的过电势即可达到10mAcm

附图说明

图1为本发明一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的制备方法的流程图。

图2为氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的制造示意图。

图3中a为NiFe泡沫的SEM图像，b-f分别为电腐蚀时间60s、70s、90s、100s和120s时的NiFe-LDH SEM图像。

图4中a为NiFe-LDH-90和原始泡沫镍铁合金泡沫的XRD图，b为NiFe-LDH-90的SEM图像，c-d为NiFe-LDH-90的HRTEM图像，e-f为NiFe-LDH-90纳米片中的相应元素映射图。

图5中a为NiFe-LDH-60中的Fe 2p高分辨率XPS光谱图，b为NiFe-LDH-60中的Ni 2p高分辨率XPS光谱图，c为NiFe-LDH-90中的Fe 2p高分辨率XPS光谱图，d为NiFe-LDH-90中的Ni 2p高分辨率XPS光谱图。

图6中a为在1.0m KOH中的NiFe泡沫和NiFe-LDH-90电极的LSV曲线图，b为相应的Tafel图，c为相应的阻抗曲线图；d为在1.0m KOH中无需搅拌时的NiFe-LDH-90电极的LSV曲线图。

图7中a为不同处理时间处理后的NiFe-LDH的OER的LSV曲线图；b为不同处理时间处理后的NiFe-LDH的HER的LSV曲线图。

图8中为a，c，e，g为分别针对NiFe-LDH-90，NiFe泡沫，NiFe-LDH-60，NiFe-LDH-120在不同扫描速率下的CV曲线图；b，d，f，h为对应NiFe-LDH-90，NiFe泡沫，NiFe-LDH-60和NiFe-LDH-120的ECSA结果图。

图9中a为ECSANiFe-LDH-90和泡沫NiFe的结果图；b为在1.0m KOH中10mA cm

具体实施方式

本发明提供一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的制备方法，如图1所示，其包括步骤：

S10、对泡沫镍铁合金依次进行超声清洗和真空干燥处理后，备用；

S20、将阳极和阴极的一端置于硼酸溶液中，另一端通过导线连接在直流电源上，将所述泡沫镍铁合金放置于硼酸溶液中并与所述阳极一端接触，设置直流电源的电压为4V，通电时间为60-120s，在所述泡沫镍铁合金表面生成纳米片状的镍铁氢氧化物材料，制得所述氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂。

具体来讲，研究发现，Fe

基于此，本发明通过简单的电化学腐蚀方法在泡沫镍铁合金上形成纳米片状的镍铁氢氧化物材料，如图2所述，纳米片状的镍铁氢氧化物材料均匀分布在电极表面，以形成高效的三维结构阳极NiFe-LDH-60-120(电腐蚀时间为60-120s)，同时，镍铁紧密结合形成协同作用大大提高了材料的电化学性能。通过测试发现，NiFe-LDH-90(电腐蚀时间为90s)电极仅需要η＝174mV的过电势即可达到10mAcm

在一些实施方式中，在制备氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的过程中，优选电腐蚀通电时间为90s。

在一些实施方式中，还提供一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂，其中，采用本发明氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的制备方法制得。

在一些实施方式中，还提供一种氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的应用，其中，将本发明所述的氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂用于电解水制氢。

下面通过具体实施例对本发明做进一步的解释说明：

实施例1

氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的制备：

实验之前，对商用泡沫镍铁进行预处理，并将面积为2X 1cm

镍铁双金属纳米片阵列电极的制备：在60mL的去离子水加入2.0g硼酸，并在磁力搅拌器上搅拌溶解后，放在直流电压下将泡沫镍铁放置于阳极，阴极选用碳棒，在4V电压下腐蚀，时间分别为60s、70s、90s、110s、120s；将泡沫镍铁取出，并用去离子水冲洗干净后，在干燥箱中60℃干燥10h备用。

氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的表征方法：

首先用FESEM和HRTEM观察样品的微观形貌和晶格结构。并对样品进行XRD测试，分析其物相组成和晶体结构。样品的表面元素及其化学价态可采用XPS测试进行研究。不同摩尔比的样品可采用ICP-OES来对最终合成样品的摩尔量进行检测。

氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂的电化学测试与产物分析：

本实施例所有电化学实验均在室温下使用1.0M KOH作为电解液，在常规三电极系统中以制备的样品(NiFe-LDH等，1.0cm×1.0cm)作为工作电极，铂片(1.0cm×1.0cm)作为对电极进行测量，Hg/HgO电极(1.0M KOH溶液)作为参比电极。所有测量数据均采用了电流阻抗(iR)校正。循环伏安法(CV)的扫描速率为5mV s

采用排水集气法收集并测试阴阳极气体体积，法拉第效率的计算可采用公式：

实验结果：

通过实验对实施例1制备的氢氧化镍铁片阵列水氧化电催化剂样品进行形貌的调控，用SEM观察不同时间下生长的双金属氢氧化物纳米阵列所对应的形貌，如图3所示。如SEM图像所示，在蚀刻之前，原始的NiFe泡沫是光滑的；蚀刻后，由许多纳米片组装而成的NiFe-LDH相互连接并均匀地支撑在NiFe泡沫的骨架上。纳米片(图3中d)的横向尺寸小于600nm，厚度小于10纳米。这种垂直阵列和超薄纳米片结构会暴露大量的活性位点，并有助于在电化学反应中进行物质迁移。此外，良好的多孔微结构和开放空间可促进电解质的传质以及所产生的H

如图4中a所示，未处理的NiFe泡沫电极的X射线衍射(XRD)图在2q＝43.604、50.794和74.677处显示典型的衍射峰，分别对应于Fe

为了进一步探讨电刻蚀对材料结构的影响，通过XPS光谱确定了晶像特征和其化学价态。如图5中a和c所示，随着电腐蚀时间的增加，可以发现Fe多个峰的数量减少。当电腐蚀时间为60s时，一价铁和三价铁同时存在。当电腐蚀时间增加时，表面的零价铁变为三价，说明电腐蚀时间增长，表面的单质铁被完全氧化。Fe 2p

在碱性条件下评估了所制备的NiFe-LDH-90析氧反应的电催化性能。在标准的三电极系统中，在1.0M KOH中研究了NiFe-LDH的电催化OER性能。(如图6中a-d所示)为了进行比较，还研究了原始NiFe泡沫样品的电化学性能，NiFe-LDH-90的OER活性比前体更好(50mAcm

为了研究电极组成的影响，本实施例测试了不同处理时间处理后的NiFe-LDH对OER的催化活性影响(如图7中a-b所示)，性能比较与材料的微观形态的影响有关。可以看出，随着纳米板的结构清晰锐利，材料将具有更好的OER性能。随着纳米片的团聚，性能开始逐渐下降。此外，测试了析氢性能，发现腐蚀处理前后材料性能几乎没有变化。

为了确定电极的OER活性来源，本实施例测试了电化学表面积(ECSA)，该表面积与电化学双层电容(Cdl)成正比。如图8中a-b所示，NiFe-LDH-90的Cdl为2.0mF cm

图9中a-d结果表明，NiFe-LDH-90具有更大面积以容纳更多活性位。此外，研究了NiFe-LDH-90对OER的长期稳定性。电流密度为20mA cm

综上所述，本发明NiFe泡沫上的NiFe-LDH-90纳米片是通过电化学腐蚀方法制备的，通过调控刻蚀的时间对催化剂的表面形貌进行优化，纳米片状阵列有助于促进传质过程，它能够在1.47V下提供100mA cm

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。