[发明专利]一种中空铁镍氮化物催化剂和制备方法及其全水电解应用

说明书

本发明公开了一种中空铁镍氮化物催化剂和制备方法及其全水电解应用。选用粒径大小为100‑300 nm的铁镍合金纳米粒子，其中铁镍原子比例为1：3；利用柯肯特尔效应，通过低温氧化刻蚀，合成中空铁镍基纳米粒子，再经过低温氮化处理，得到中空铁镍氮化物催化剂，并将其用于全水解的阴极氢析出和阳极氧析出反应中，相较于铁镍氮化物粉体材料，该催化剂展现出更好的电催化活性。本发明合成方法简单，成本较低，中空铁镍氮化物催化剂的全水电解催化活性更高，适用于大批量产生。

技术领域

本发明属于电催化水分解技术领域，涉及中空铁镍氮化物催化剂和制备方法及其全水电解应用。

背景技术

铁镍基化合物在能源电催化尤其是水分解领域得到过广泛的研究；在电催化水分解中，其具有突出的水电解性能和低廉的价格等特点，展现出良好的应用价值。在铁镍基化合物中，铁镍氮化物为金属间化合物，具有良好的导电性和抗电化学腐蚀能力，在电催化水分解中展现出良好的活性而备受关注。例如文献报道的层状结构Ni₃FeN氮化物，在氧析出反应中，达到10 mA cm^-2时，仅需355 mV的过电势(Nano Energy 2017, 39, 77-85.)。如与还原氧化石墨烯复合的气凝胶状结构Ni₃FeN/r-GO，在氧析出反应中达到10 mA cm^-2时，过电位仅为270 mV(ACS nano 2018, 12, 245-253.)。在全水解应用中，Ni₃FeN纳米粒子在电流密度为10 mA cm^-2时，其氢析出和氧析出过电位分别仅为238 mV和241 mV(Electrochim. Acta 2017, 247, 666-673.)。为了实现更高电催化活性，采用导电基体如泡沫镍，碳布，碳纸，石墨纤维(CN201710221150.9)等三维基体结构实现较高水电解催化活性。此外，采用过渡金属离子如Mo，Fe等增强材料的电催化活性。采用氮化硅等网状骨架，包覆铁镍氮化物制备电解水催化剂，其合成工艺复杂，需选用多类反应前驱体和应用多类粘接剂等(CN201810396929.9)。然而，对于氮化镍铁基粉体催化剂，在合成过程中纳米结构易团聚，影响了其活性位点的充分暴露，掺杂原子在催化反应过程中易溶解，降低了催化剂材料的利用率和实现稳定的催化活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中空铁镍氮化物催化剂和制备方法及其全水电解应用。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种中空铁镍氮化物催化剂及其制备方法，选用粒径大小为100-300 nm的铁镍合金纳米粒子，其中铁镍原子比例为1：3，利用柯肯特尔效应，通过低温氧化刻蚀，合成中空铁镍基纳米粒子，再经过低温氮化处理，得到中空铁镍氮化物催化剂，具体步骤如下：

将铁镍原子比为1：3的铁镍合金纳米粒子，在空气或含氧气气氛下加热到400-500℃，保温一段时间，得到中空铁镍合金纳米粒子，再将其置于氨气气氛下，在400℃-600℃热解处理一段时间，得到所述的中空铁镍氮化物催化剂。

较佳的，铁镍合金纳米粒子的粒径为100-300 nm。

较佳的，在空气或含氧气气氛下加热到400-500℃，保温2小时。

较佳的，在400℃-600℃热解处理3小时。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）与单纯粉体氮化物等方法相比，材料具有中空结构，催化活性更高，且无外来杂质。

（2）与其他纳米形貌氮化物相比，纳米粒子合成简易，操作简单，成本较低，技术路线有利于批量制备。

附图说明

图1为实施例1所得中空FeNi₃N纳米粒子催化剂的TEM图谱。