[发明专利]一种双掺杂高效电解水催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种双掺杂高效电解水催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂为在氮化镍基材料表面掺杂两种过渡金属元素；其中，氮化镍基材料为纳米片状结构，过渡金属元素以纳米颗粒的形式附着在氮化镍基纳米片的表面，在原子级别分辨率电镜中，Co和V以独特的单原子与团簇的形式存在，且所述过渡金属元素包括V、Cr、Co中的任意两种。

技术领域

本发明涉及电解水催化剂技术领域，具体涉及一种双掺杂高效电解水催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氢气因其在使用过程中只排放水，不排放其他有害气体或固体颗粒而成为一种极具潜力的清洁能源。目前，氢能研究面临的挑战之一是探索丰富的、长期可用的、耐腐蚀的、高效的电催化剂。

商业贵金属(如Pt和Ru)由于其独特的电子性质、低的氢解吸和吸附吉布斯自由能和低的水分子分裂能垒而成为最显著的HER电催化剂。然而，其高成本、稀有性和不耐用性限制了其在电解水行业的实际应用。

过渡金属氮化物(TMN)因其优异的导电性和耐腐蚀性能，是制备HER的优良电催化剂之一。然而，大多数已报道的批量TMN存在两个缺点：缓慢的动力学、需要额外的能量促进水解离。过渡金属掺杂(TMD)是最简便解决方法之一，因其可以调节每个电催化剂的物理化学性质和晶格结构，以提高HER催化性能和稳定性。但现有过渡金属的掺杂存在问题，掺杂单一一种过渡金属元素，得到的催化剂性能较差；而双掺杂催化剂又存在掺杂难度大、掺杂量低等问题，得到的催化剂性能也不理想；并且，现有技术制备得到的掺杂过渡金属的催化剂，在电解制氢过程中，抗腐蚀性能较差，特别是对海水进行电解制氢时，无法连续长时间使用。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种双掺杂高效电解水催化剂，以解决现有技术过渡金属元素掺杂难度大、抗腐蚀性能差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种双掺杂高效电解水催化剂，所述催化剂为在氮化镍基材料表面掺杂两种过渡金属元素；其中，氮化镍基材料为纳米片状结构，过渡金属元素以纳米颗粒的形式附着在氮化镍基纳米片的表面，且所述过渡金属元素包括V、Cr、Co中的任意两种。其中，当掺杂Co和V两种元素时，在原子级别分辨率电镜中，Co和V以独特的单原子与团簇的形式存在。

本发明还提供了一种双掺杂高效电解水催化剂的制备方法，用于制备上述催化剂，具体包括如下步骤：

步骤1：对泡沫镍基材料进行清洗预处理，去除表面氧化层和杂质；

步骤2：选择钒源、铬源、钴源中任意两种过渡金属源，将其与Ni(NO₃)₂、NH₄F、尿素溶于水中，并混合形成均相溶液；将均相溶液与步骤1处理后的泡沫镍基材料转移至高压釜中进行水热反应，得到双掺杂氢氧化镍纳米片，清洗后干燥；

步骤3：将步骤2得到的氢氧化镍纳米片在高纯度NH₃氛围中进行氮化反应，得到所述双掺杂高效电解水催化剂。

本发明还提供了一种双掺杂高效电解水催化剂的应用，上述制备方法制备得到的催化剂用于电解水或者海水制氢。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所述催化剂为双原子掺杂的催化剂，能够进一步的调节催化剂的电子结构，提供更多的催化位点和高的电子转移率，并增加了催化剂界面电子转移速率和活性位点的数量，改善了传质动力学。

2、本发明所述催化剂中，掺杂的过渡金属元素对碱性HER活性有很大贡献，其中V可以提高水分子吸附从而增强电极表面亲水性，Co元素增加了催化剂的表面活性位点，Cr元素促进催化剂对氧原子吸附；费米能级附近Co,V-Ni₃N展示了最大的态密度值，表明Co,V-Ni₃N表面有良好导电性和界面电子转移动力学。