[发明专利]一种硒掺杂镍铁尖晶石/羟基氧化镍复合电催化剂材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种硒掺杂镍铁尖晶石/羟基氧化镍复合电催化剂材料及其制备方法与应用。所述复合电催化剂材料的微观结构为硒掺杂镍铁尖晶石纳米颗粒与羟基氧化镍纳米片相互连接，所述的硒掺杂镍铁尖晶石纳米颗粒的直径为200~400nm，羟基氧化镍纳米片的厚度为8~15nm，横向长度为1~3μm。本发明通过以不锈钢为原料，在表面原位水热生长出镍铁尖晶石/羟基氧化镍复合物前驱体，随后，将得到的前驱体在水热条件下进行精准的硒化，达到制备精准的硒掺杂镍铁尖晶石/羟基氧化镍电催化剂的目的。本发明的制备方法的条件温和，工艺简单，对设备要求低；所得的材料用于水分解反应，具有较低的过电位和较好的稳定性等电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种硒掺杂镍铁尖晶石/羟基氧化镍复合电催化剂材料及其制备方法与应用，属于电化学技术领域。

背景技术

二氧化碳排放量的快速增加引起了人们对全球变暖问题的关注，同时引起了对可持续清洁能源的迫切需求。在各种清洁能源中，氢气由于具有优异的能量密度和环境友好性等优点，被认为是最有希望的化石燃料替代品之一。

在各种生产氢气的方法中，碱性电解质中电催化析氢反应(HER)由于具有较高的生产安全性和产品纯度，已经引起了人们的广泛关注。电化学分解水反应的关键问题在于高能耗，无论是阳极析氧反应(OER)还是阴极析氢反应(HER)，电解水反应仍然需要较高的过电位，这极大地限制了电解水的效率。为了降低电解水反应的过电位，减少电能的消耗，探索高活性的电催化剂是提高电解水效率、降低产氧过电势的有效途径。在电催化分解水的过程中，阳极析氧反应(OER)由于涉及一个缓慢的四电子过程，其在动力学上来说相对于析氢反应(HER)更加困难，这会导致水分解产氢过程的效率急剧降低。因此，开发高活性的阳极析氧反应催化剂，降低阳极析氧反应的过电势对于提高电解水制氢效率具有十分重要的意义。

目前，贵金属基材料(IrO₂或RuO₂等)催化剂仍然被认为是最先进的析氧反应(OER)电催化剂，但是它们材料的稀缺性和较差的稳定性阻碍了它们的大规模实际应用。因此，开发具有与贵金属基催化剂相当的电催化活性，并且在地球上含量丰富，成本效益好和可持续的替代物是有必要的。为了寻找廉价的替代品，人们已经在过渡金属合金、氧化物、氢氧化物、硒化物甚至硫属化合物等方面都做出了巨大的努力。近年来，过渡金属氧化物和氢氧化物的硫化或硒化已被发现是一种创造电化学过程中高活性位点的有效的方法，并已报道了许多电催化剂。例如，中国专利文件CN106430122A提供了一种NiSe₂过渡金属硫属化物纳米片、其制备方法及用途，该发明以镍源化合物和氨水为原料，在衬底保温生长Ni(OH)₂纳米片，然后Se置换，得到NiSe₂过渡金属硫属化物纳米片。中国专利文件CN110314690A公开了一种具有异质界面耦合的双金属硫化物Ni₃S₂/FeS复合材料，其制备方法如下：通过电沉积法制备含有Ni和Fe的双金属氢氧化物前驱体，通过原位的硫化处理，形成具有异质界面的双相Ni、Fe硫化物复合材料。但是，上述催化剂都存在过电位高或者稳定性差，制备方法复杂的缺点，所以寻求一种稳定且高效的催化剂迫在眉睫。

因此，制备一种高效且稳定的过渡金属基催化剂仍是一个极具挑战性的课题。目前，对于精准合成硒掺杂镍铁尖晶石/羟基氧化镍复合电催化剂材料的方法还未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种硒掺杂镍铁尖晶石/羟基氧化镍复合电催化剂材料及其制备方法与应用。本发明的合成方法简单，得到的电催化剂材料为纳米颗粒与纳米片相互连接的形貌；所得到的电催化剂材料能够应用于电解水析氧反应，具有较低的过电位以及较高的化学稳定性。

本发明的技术方案如下：