[发明专利]一种镍铁双金属氢氧化物纳米薄膜材料的制备方法及用途

说明书

本发明公开一种镍铁双金属氢氧化物纳米薄膜材料的制备方法及用途，以碳纸为基底，选用两步电沉积和一步刻蚀法进行镍铁双金属氢氧化物电催化剂的制备，第一步电沉积法得到负载在碳纸上的普鲁士蓝纳米薄膜材料，第二步电沉积法得到负载在碳纸上的氢氧化镍/普鲁士蓝纳米薄膜材料，最后将氢氧化镍/在普鲁士蓝纳米薄膜材料放入强碱溶液中进行刻蚀，获得负载在碳纸上的镍铁双金属氢氧化物纳米薄膜材料。该方法简单易行、操作安全、绿色无污染。其次，该材料是一种无定型的并且富含氧空位和有多孔的纳米薄膜材料，具有超低的过电势和Tafel斜率，表现出优异的析氧催化活性；并且在碱性电解液中进行电解时，其电势几乎保持不变，表现出优异的电解稳定性。

技术领域

本发明属于非贵金属催化剂电化学分解水制氢析氧领域，具体涉及一种镍铁双金属氢氧化物纳米薄膜材料的制备方法及用途。

背景技术

随着不可再生能源的日益消耗以及环境污染问题的日益严峻，人们迫切需要使用可再生清洁能源来替代化石燃料，例如风能，太阳能。而这可以通过大力发展高效低廉的能量转换和存储技术来实现，例如，可再生燃料电池，金属-空气电池，分解水制氢装置等。其中完美的清洁能源利用闭合回路是利用氢气作为能量基底，通过可再生清洁能源产生的电能进行电解水制氢，采用燃料电池用氢产生电能，其中不产生任何污染物。然而，这个回路中的关键一环氧析出反应(OER)属于热力学上坡反应，涉及复杂的四质子耦合电子转移过程，并且缓慢的动力学过程对大规模使用这些可再生能源装置带来了巨大挑战。因此，开发高效且耐用的OER催化剂以降低反应壁垒，提高转换效率至关重要。目前，贵金属(铱，钌)以及其氧化物已被普遍认为是OER的基准催化剂，但是，稀有储量、高昂的价格以及稳定性差严重阻碍了它们的商业化发展。

迄今为止，人们已经投入了相当大的努力来寻找高效，低廉的非贵过渡金属催化剂。其中，镍铁氧化物/氢氧化物被认为是具有更快OER动力学的催化剂材料。目前，此类催化剂的合理设计策略主要包括三个方面：(1)优化催化剂内在活性。通过不同类型的缺陷的引入、无序/变形的纳米结构破坏了原本晶体框架的电子中性并产生不饱和原子活性位，从而调节表面吸附能。(2)多级或多孔纳米结构催化剂可暴露更多活性位点并加速电荷转移，与减小纳米粒子尺寸相比，可降低电荷转移电阻。(3)为了增强化合物的导电性和稳定性，通常采用原位生长以及原位电沉积等方法，可防止催化剂在析氧催化过程中脱落。

最近，作为一类钙钛矿型材料，普鲁士蓝及其类似物由于其组成形貌可调控且对环境友好，在能量转换及存储方面展现出了广阔的前景。大量研究工作证明了普鲁士蓝类似物作为前驱体制备OER催化剂的优越性。然而，目前报道的普鲁士蓝类似物衍生的催化剂主要为粉末状态，并且关于其纳米膜结构用于制备高效OER催化剂的报道很少，极大地限制了在电催化析氧中的应用。在这方面，一些研究人员已经使用离子交换法在导电碳纸表面上生长普鲁士蓝膜作为OER催化剂的前驱体。这些工作表明，作为OER催化剂的前体连续的普鲁士蓝纳米膜在催化活性和稳定性方面都有很大的提高。电沉积方便、快捷、节能、环保，适用于导电基底表面沉积，基本上不受导电基底种类和形状的限制，与电催化剂对电极导电性要求一致，极大地拓展了应用范围。但是，电沉积技术作为连续普鲁士蓝膜的快速制备方法却鲜有关注。

发明内容

本发明为了解决高性能镍铁双金属氢氧化物析氧催化剂制备问题，提供了一种镍铁双金属氢氧化物纳米薄膜材料的制备方法及用途，该方法工艺简单，成本低廉，周期短，且可在大面积电极上沉积，易于放大生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种镍铁双金属氢氧化物纳米薄膜材料的制备方法，具体包括如下步骤：

S1：以处理后的碳纸为基底，将碳纸浸入由硝酸铁、铁氰化钾和氯化钾组成的电解液A中，采用电沉积法获得沉积在碳纸表面上的普鲁士蓝纳米薄膜材料，即碳纸负载普鲁士蓝纳米薄膜基底；