福州大学研发新型催化剂：以泡沫镍为模板制备NiFeP-BDC/NF纳米片

福州大学研发新型催化剂：以泡沫镍为模板制备NiFeP-BDC/NF纳米片

福州大学研发团队近日公布了一项关于新型催化剂制备方法的专利技术，该技术涉及三维泡沫镍原位生长二维NiFeP-BDC/NF纳米片双功能电催化剂的制备方法及其应用，属于氢能和电极材料领域。

背景技术

随着社会的日益发展，人们对电力的需求也在日益增加。于此同时，我们迫切的需要减少对化石燃料的依赖，以减少日益增加的碳排放。因此，需要找到一种新能源和能源载体。氢能由于高热值以及燃烧产物只有水，因此氢能可以有效的替代传统化石能源。其中，电解水制氢由于其不产生二氧化碳以及低成本被认为是一种有效方法。由于电解水过程中较大的内阻，需要额外的能量输入，因此开发出高效的电催化剂至关重要。然而，传统的贵金属材料（铂，钌，铱）由于其丰度底、成本高，导致它们的应用范围狭窄。因此，开发出储量丰富、价格低廉的催化剂是今后的重中之重。

金属有机框架（MOFs）是一种金属离子与有机配体组合而成的有机配体材料，近年来得到广泛的研究。与其它配体材料相比，MOF材料有许多优点，诸如高孔隙率、大比表面积、结构可控、低密度以及价格低廉。相应的，MOF材料依旧受到导电性差的困扰，这可以由MOF衍生的磷化物解决。MOF衍生的磷化物可以保留原始MOF结构的优点，而且其还可以在活性位点、物理化学性质等方面取得比原始MOF更优异的电化学性能。Fe₂P和Ni₂P是报道的用于HER和OER的两种双功能催化剂。可以发现的是，由于Fe₂P和Ni₂P的各个功能的整合以及Fe₂P和Ni₂P之间的协同作用，结合了Fe₂P和Ni₂P的复合材料将对HER和OER表现出优异的催化性能。Sun等人通过预先氧化泡沫镍（NF）作为自支撑模板，随后加入对苯二甲酸（BDC）的DMF溶液以及六水合硝酸镍和九水合硝酸铁的水溶液，利用水热法成功制备出Fe_x-Ni₂P-BDC/NF。在优化了Fe/Ni原子的摩尔比后，获得的Fe₂-Ni₂P-BDC/NF在碱性介质下表现出最优的HER以及OER催化性能，在100 mA cm^-2的电流密度下HER和OER的过电势为130和340 mV，然而，该合成步骤中过多的反应步骤消耗了大量能量，不利于工业化大规模生产的经济效益。因此，本发明拟提供一种二步法合成NiFeP-BDC/NF双功能电催化剂，扩大了反应规模，进一步优化了OER性能。

技术实现思路

本发明提供了一种以泡沫镍为自牺牲模板原位生长NiFeP-BDC/NF双功能电催化剂的制备方法及其应用。具体制备步骤如下：

1. 预处理：将商业用泡沫镍先后浸泡在盐酸和丙酮中，超声去除表面的氧化物和有机杂质，随后依次用去离子水和乙醇超声清洗至少3次，以去除表面残留溶剂，烘干备用。

2. 制备NiFe-BDC/NF：将一定比例的对苯二甲酸BDC和六水合氯化铁溶解于DMF、乙醇、水和盐酸的混合溶液中，搅拌至溶液澄清，随后转移至内衬中，加入处理好后的泡沫镍，将内衬转移至不锈钢反应釜当中，在烘箱中高温反应9~15 h，待冷却至室温后，用水和乙醇反复冲洗，以去除表面溶剂，真空干燥，得到干燥好的产物。

3. 制备NiFeP-BDC/NF：将上述步骤（2）得到的NiFe-BDC/NF放置于瓷舟下游，一定量的次磷酸钠放置于瓷舟上游，随后将瓷舟放于氮气气氛下，300 ℃~400 ℃的条件下保温2 h，即可得到一种泡沫镍负载的NiFeP-BDC/NF纳米片。

技术特征

1. NiFeP-BDC/NF催化剂是由磷化二镍和磷化二铁组成的2D纳米片堆叠而成，纳米片厚度20~25 nm。

2. 预处理采用盐酸浓度为3 M，盐酸和丙酮超声时间为1015 min，去离子水和乙醇超声时间为12 min。

3. DMF、乙醇、水和盐酸添加体积比例为16:1:0.12:0.12，盐酸浓度为1 M。

4. 对苯二甲酸和六水合氯化铁的摩尔比例为4~8:1。

5. 反应温度为95~125℃。

6. NiFe-BDC/NF和次磷酸钠添加的质量比为1:2~4。

技术效果

该催化剂在碱性条件下电解水制备氢气具有优异的性能。在100 mA cm^-2的电流密度下，析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的过电势仅为370 mV和319 mV，而商业Pt/C和RuO₂应用于HER和OER在相同电流密度下的过电势分别为340 mV和430 mV。该催化剂可以同时应用于HER和OER，有效降低工业制氢成本。

技术创新点

以泡沫镍为自支撑模板，通过盐酸刻蚀泡沫镍使之游离出大量的二价镍离子，与添加的对苯二甲酸进行反应，从而使得合成的NiFe-BDC/NF形成一种生长在三维结构上的二维纳米片。随后在磷化过程中不影响形貌的变化。该制备方式简单，易于大量制备，可以有效降低能耗和催化剂材料的价格，在催化过程中性能优异且可以长时间稳定运行。

这项技术为碱性溶液中低能耗、高性能催化剂的制备提供了一种有效的实验思路，具有重要的科研和应用价值。