[发明专利]一种多孔镍钼合金电催化材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于电催化材料的技术领域，公开了一种多孔镍钼合金电催化材料及其制备方法与应用。方法：1)对镍钼合金进行塑性变形，获得变形镍钼合金；2)将变形镍钼合金进行预处理，从而去除表面的杂质，获得洁净的变形镍钼合金；3)将HNO₃和铜盐溶于水中，得到腐蚀溶液；4)将变形镍钼合金置于腐蚀溶液中进行去合金化反应，后续处理，获得多孔镍钼合金电催化材料。本发明的方法简便，经济成本低廉，所得电催化材料不仅能大幅度降低析氢反应的过电势，且在大电流密度下依旧有着不错的稳定性。本发明的电催化材料用于电催化水解制氢，可实现大规模生产。

技术领域

本发明属于电催化材料的技术领域，具体涉及一种多孔镍钼合金电催化材料及其制备方法与应用。所述电催化材料用于电催化水分解的领域。

背景技术

当今社会中，石油和天然气等不可再生的化石能源在总能源消耗板块中仍占有着巨大的比例，导致能源短缺问题日趋严重。此外，燃烧化石燃料将产生并排放出有害的温室气体(如CO₂)以及有毒气体(如SO₂)，从而导致温室效应、臭氧层破坏等一系列相关的环境问题。因此，开发高效清洁、持续能源供应及其存储的技术迫在眉睫。

氢气(H₂)具有高热值(281kJ mol^-1)和零碳排放的特点，被认为是最清洁的能源之一，也是替代化石燃料并解决全球能源和环境污染问题的首选。电解水制氢(或电催化水分解)具有高效、无碳、无地域限制以及制氢纯度高等优点，被认为是目前最具发展潜力的制氢方法之一。电解水制氢可以将波动性的可再生能源产生的电力长期存储起来加以高效利用，是未来绿色氢能网络构建的重要一环。

目前电催化水分解仍存在着能源消耗大、转化效率低、成本高等突出问题。通过开发廉价、高效的电催化电极材料用于电解水反应，满足制氢技术在工业生产中的应用，具有十分重要的意义。析氢反应(hydrogen evolution reaction,HER)是电催化水分解的重要反应之一，其中贵金属Pt是最高效和稳定的HER电催化材料。但是Pt的高昂成本和稀缺性，限制了其在商业上的大规模应用。因此，研制电催化性能优异且廉价的非贵金属电极材料是推进电解水制氢技术规模化应用进程中亟待解决的关键问题。在非贵金属电催化电极材料中，镍钼通过协同作用使合金的氢吸附自由能接近于0eV，具有着优良的HER电催化性能，是析氢反应中公认最佳的非贵金属基双金属电催化材料。然而，目前镍钼电催化电极材料主要是以水热法或电沉积方式将镍钼基纳米颗粒负载于导电基底(多孔玻碳或者泡沫镍)上，这些纳米颗粒催化材料具有优异的电催化HER性能。但这些制备纳米材料负载方法较为繁琐，能耗较高，不适宜工业化大规模生产，并且得到的纳米颗粒容易团聚，纳米结构容易发生退变，纳米颗粒与基体之间的结合力弱，如果采用粘接剂将这些纳米催化剂与基体连结则导致界面接触电阻大、损失较多的催化活性位点等突出问题，长期稳定性都较差，特别是在大电流密度下寿命是目前亟待解决的关键问题之一。例如：专利申请CN202110487183.4公开了一种枝叶型异质结构全解水催化剂的制备方法，在泡沫镍上依次采用水热法、气相磷化以及电沉积法制备出了NiMo-P@CoFe-LDH催化剂，该催化剂具有独特的枝叶型形貌，可作为双功能电解水催化剂，且都表现出较高的催化活性。然而纳米催化剂与基体之间较弱的结合力，使其只在50mA/cm²的电流密度下稳定运行24h，这远远达不到工业应用所需的300～2000mA/cm²的电流密度要求。此外，该催化剂复杂的制备工艺也限制了其在工业上的大规模生产。因此，开发制备工艺简便，并能在大电流密度下长期稳定运行的电催化材料十分必要。

直接采用块体镍钼合金用作电催化材料能够在大电流密度下稳定运行，但其过电势较大，催化效率低下，这主要是由于其较少的活性催化位点和比表面积所致。因此，在块体镍钼合金上制备出具有高比表面积的多孔表面是一种可行的途径，但是镍钼合金具有很好的耐腐蚀性，很难形成多孔表面。

发明内容