[发明专利]密排六方镍、多晶相镍异质结电催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种密排六方镍、多晶相镍异质结电催化剂及制备方法和应用。首先以乙酰丙酮镍为前驱体，油胺为溶剂，无水葡萄糖为表面活性剂，在有机溶液中通过简单的胶态方法合成密排六方镍前驱体，然后在还原性气氛下退火，制备得到密排六方/面心立方镍异质结构电催化剂，即多晶相镍异质结电催化剂。该催化剂通过界面电子结构的相互调节，可以同时优化氢和氢氧物种的结合能，同时降低了水的形成能，从而具有优异的氢氧化性能，因此在碱性介质氢氧化反应领域具备巨大的应用前景。本发明还提供了两种制备不同尺寸面心立方镍的制备方法。

技术领域

本发明涉及电催化剂制备技术领域，尤其涉及一种密排六方镍、面心立方镍、多晶相镍异质结电催化剂及制备方法和应用。

背景技术

氢气因其环保和高能量密度而被认为是最有前途的清洁能源载体之一。通过燃料电池技术利用氢是实现低碳排放氢经济的关键组成部分。与质子交换膜燃料电池相比，碱性交换膜燃料电池因其使用非铂族金属催化剂的可能性而受到广泛关注。到目前为止，已经有相当多的研究致力于开发非铂族金属的电催化剂，其性能可与标准铂基催化剂相媲美，用于碱性交换膜燃料电池中的阴极氧还原反应。然而，铂基电催化剂在碱性电解质中对阳极氢氧化反应的催化活性比在酸性电解质中低约2个数量级，导致碱性交换膜燃料电池中铂基金属负载量大大增加。因此，寻找高效、稳定的非铂族金属电催化剂用于碱性介质下的氢氧化反应是非常必要的。

目前，最有效的非铂族金属碱性氢氧化反应电催化剂仅限于镍基纳米催化剂。但是镍基纳米催化剂的催化性能仍远低于铂族金属基催化剂，可能是由于其相对较强的氢结合能。更重要的是，已有报道认为界面水分子的形成是碱性氢氧化反应的电位决定步骤。因此，目前的研究一直在尽最大努力优化氢结合能和或促进氢氧物种结合能。近年来，人们对镍基电催化剂进行了大规模的研究，开发了成分、尺寸、形状和缺陷结构可控的镍基电催化剂，为了进一步提高催化性能，人们探索了多种可行的途径，包括合金或与其他金属复合，碳基材料的支持，掺杂间质杂原子(如B和N原子掺入镍的晶格),应变工程，以及构建异质结构。

然而，传统的策略主要局限于面心立方镍和面心立方镍基合金的改性，这可能会受到固有活性和稳定性的限制。相反，相工程通过有效降低亚稳晶相的形成能和调节原子界面电子结构，提供了另一种促进催化性能的有效途径，而其对氢氧化反应的影响却很少被探索，因此，多晶相的镍异质结催化剂的合成仍然是一个巨大的挑战。

Zhisen Li等人发表的名称为“Hexagonal Nickel as a Highly Durable andActive Catalystfor Hydrogen Evolution”的论文中公开了一种晶相异质结构镍催化剂，其内主链为面心立方相，表面覆盖一层六方密堆积(hcp)相薄层。但是，上述镍催化剂存在六方密堆积相仅仅表面包覆，其面心立方相和六方密堆积相的比例无法调控，不能成功制备纯相的六方密堆积相以及没有对碱性氢氧化反应进行测试的缺陷，从而无法研究面心立方相和六方密堆积相对催化剂活性调控的根本原因。

有鉴于此，有必要设计一种改进的密排六方镍、面心立方镍、多晶相镍异质结电催化剂及制备方法和应用，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种密排六方镍、面心立方镍、多晶相镍异质结电催化剂及制备方法和应用。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种多晶相镍异质结电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1，采用胶体法制备密排六方镍纳米粒子；

S2，将步骤S1制备的所述密排六方镍纳米粒子和碳载体分散在有机溶剂中，超声处理1～4h，然后再离心收集和真空干燥处理，得到混合物；再将所述混合物置于还原性气氛中，在高于250℃且低于600℃的煅烧温度下煅烧处理0.5～2h，得到密排六方/面心立方镍异质结，即为多晶相镍异质结电催化剂。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述密排六方镍纳米粒子的具体制备方法为：