[发明专利]一种纳米多孔镍铜/非晶复合电极材料及其制备方法

说明书

一种纳米多孔镍铜/非晶复合电极材料及其制备方法，属于电催化技术领域。该纳米复合电极材料的制备方法主要包括：采用溶体快淬法制备得到Cu‑Ni‑Zr‑Ti非晶合金作前驱体，采用化学脱合金化方法对非晶前驱体进行选择性腐蚀去除Zr和Ti，最终得到表面具有纳米通孔镍铜结构而内部基体保持非晶态的“三明治”复合结构。本发明制备得到的纳米复合电极材料具有类似“三明治”的结构，纳米多孔镍铜均匀地分布在非晶基底上，具有良好的机械柔性，且形貌均匀，比表面积大，具有较高的电催化活性。该发明的纳米复合材料可直接用作电解水析氢的电极材料，在电流密度为10mA/cm²时析氢电位约为120mV，Tafel斜率为38mV/dec，是一种廉价的高性能电催化材料，可被用于电催化产氢等新能源领域。

技术领域

本发明属于电催化领域，特别涉及一种可用于电解水制取氢气的纳米多孔镍铜/非晶复合电极材料及其制备方法。

背景技术

随着世界能源危机的加剧，开发新能源已经迫在眉睫，在众多新能源中，氢能作为一种高效清洁的能源在21世纪得到了广泛关注和应用。氢能在氢燃料电池领域具有巨大的应用潜力，目前日本丰田汽车厂已经量产氢燃料电池汽车。其工作原理就是通过电解水制取氢气然后注入汽车中与氧气混合燃烧驱动电机为车提供动力。制取氢气的方法有很多，其中电解水析氢反应(Hydrogen evolution reaction，HER)具有工艺和操作过程简单、环境友好、产品纯度高和工业化成熟等优点是实现工业化廉价制备氢气的重要手段。

电解水析氢反应就是将电能转换成氢能的一个过程。电极材料催化活性不高会导致电解水析氢过程中电能的浪费，因此提高电极材料的催化活性是降低电解水制氢能耗的关键。目前使用的电极有过渡族的硫化物、磷化物，纳米多孔金属等。过渡族金属虽然便宜但是催化活性不佳，所得到的产物催化活性不佳并且不能直接作为电极使用需要负载在玻碳电极上，工艺复杂操作不便，不利于产业化。纳米多孔金属在电解水析氢方面表现出较好的催化性能，但是块体纳米多孔金属脆性较大，需进行修饰、支撑处理，无法直接用于功能器件。目前也已经有文献报道Pd₄₀Ni₁₀Cu₃₀P₂₀非晶合金在电解水析氢方面表现出良好的催化性能，但是贵金属成本较高，非晶块体、带材比表面积较小，HER催化活性有待进一步的提升。现用于HER的电极材料都包含贵金属，存在价格昂贵、比表面积低、电催化活性不高等缺点，导致电解电极析氢电位过高，能耗过大，成本高，严重制约了电解水法制氢技术的发展。因此，开发具有高HER催化活性且廉价的析氢电极材料具有重要科学的意义与实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有析氢电极材料的不足，提供一种用于电解水制氢的纳米多孔镍铜/非晶复合电极材料及其制备方法，在保持良好催化性能的同时降低成本，并且具有良好的机械柔性，可以直接作为电极使用。利用具有良好机械柔性和具有良好非晶形成能力的Cu-Ni-Zr-Ti非晶合金作为前驱体，然后通过化学自由腐蚀得到纳米多孔，通过控制脱合金化时间制备得到表面具有纳米多孔镍铜，基体仍保持非晶态的“三明治”结构电极材料。纳米多孔镍铜/非晶复合电极材料不仅可以克服块体金属脆性较大的缺点，而且可以充分利用其纳米结构的特点直接作为电解水析氢的电极材料，提高电极的比表面积，使活性物质均匀有序分布，提高电解水析氢的催化性能。

纳米多孔镍铜/非晶复合电极材料，其特征在于具有三维均匀的“三明治”分层结构，即：表面为纳米多孔镍铜，中间为非晶基体，形成纳米多孔镍铜和非晶的复合；纳米的多孔镍铜在非晶基底上均匀地分布，表层多孔表现为连续通孔，孔的直径约为10nm～30nm左右。

所述纳米多孔镍铜/非晶复合电极材料，其特征在于在不含贵金属的同时表现出了良好的电化学活性：Tafel斜率低至38mV/dec，10mA/cm²电流密度下的过电位约为120mV。

本发明提供一种用于电解水制氢的纳米多孔镍铜/非晶复合电极材料的制备方法，所述材料制备方法主要包括以下几个步骤：