[发明专利]一种磷酸镍/氧化镍复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电催化材料领域，公开了一种磷酸镍/氧化镍复合材料及其制备方法和应用。所述制备方法为：使用两电极体系的直流电源，以Ni‑Fe合金为阳极，石墨为阴极，以含有磷酸盐的溶液为电解液，在pH值为3～12的条件下通过微弧氧化在阳极合金基体表面原位生成一层磷酸镍/氧化镍复合材料。本发明制备的磷酸镍/氧化镍复合材料在中性环境下具有优异的析氧催化活性，电流密度10mA cm^‑2时的过电位为660mV，并具有良好的电化学稳定性，可应用于电解水制氢领域。

技术领域

本发明属于电催化材料领域，具体涉及一种磷酸镍/氧化镍复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

化石燃料的燃烧引发的全球能源危机和环境问题日益影响人类的生存和发展，开发出清洁高效且可再生的新型能源十分必要。氢能由于其能量密度高、地球储备丰富、燃烧产物无污染等特点已经成为未来实现世界可持续发展的最有前景的新型能源。

在目前的制氢方法中，电解水制氢由于其原材料广泛、工艺简单、技术可靠，容易制得高纯度氢气、无污染等优点，被认为是最有前途和可持续性的制氢方法。但是由于阳极析氧端存在过高的过电位使得电解水制氢过程中造成巨大的能量损失，因此，开发出高效的氧析出(Oxygen evolution reaction，OER)电催化剂是降低能量损失的关键。传统的贵金属催化剂(如IrO₂/C、RuO₂)性能优异，但是高昂的成本限制了其在电解水制氢中的使用，因此开发出高催化活性、低成本的析氧催化剂十分必要。

目前，工业上电解水制氢用到的强酸性、强碱性电解装置都存在着极大的腐蚀问题，开发出适用于中性环境下的析氧电催化剂已经成为了越来越多人关注的焦点。中性电解水主要的受限制环节为水的分解和质子的耦合。一系列在碱性环境中具有优异催化性能的过渡金属氧化物和氢氧化物在中性环境中析氧催化性能并不突出，其原因是虽然过渡金属氧化物和氢氧化物具有很强的水吸附和分解能力，但是其质子耦合能力较弱，且导电性差。磷酸盐由于其独特的电子构型成为了优异的质子受体，能够促进析氧反应中质子的耦合，被认为是一种很有吸引力的中性环境下使用的析氧催化剂，传统的磷酸盐制备方法有电化学沉淀法、水热法、两相胶体法等，上述制备方法虽然在成分调控方面具有一定优势，但存在工艺过程复杂、所使用药品毒性大、易残留等缺陷，难以大规模工业化生产，并且在制备过程中需要使用添加剂和导电剂，降低了催化剂与溶液的接触面积，未能充分利用其活性物质。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种磷酸镍/氧化镍复合材料的制备方法。本发明方法利用微弧氧化技术，原位制备出了一种磷酸镍/氧化镍复合材料。所得复合材料中，氧化镍具有很强的水吸附和分解能力，而磷酸镍促进质子的耦合反应，二者协同作用，共同促进中性环境下水的电解。测试结果表明，这种析氧催化剂具有中性环境下优异的析氧催化活性及良好的稳定性。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的磷酸镍/氧化镍复合材料。

本发明的再一目的在于提供上述磷酸镍/氧化镍复合材料在电解水制氢气中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种磷酸镍/氧化镍复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：

使用两电极体系的直流电源，以Ni-Fe合金为阳极，石墨为阴极，以含有磷酸盐的溶液为电解液，在pH值为3～12的条件下通过微弧氧化在阳极合金基体表面原位生成一层磷酸镍/氧化镍复合材料。

进一步地，所述Ni-Fe合金中Ni含量为75wt.％～90wt.％，Fe含量为10wt.％～25wt.％。

进一步地，所述Ni-Fe合金在使用前先经丙酮、无水乙醇超声清洗，除去Ni-Fe合金基体表面的油污。

进一步地，所述磷酸盐为磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠中的至少一种。