一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备方法及其应用
一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备方法及其应用
在当前能源危机和环境污染日益严重的背景下，开发高效、可再生的催化材料以促进清洁能源的生产与转化已成为科研领域的重要方向。本文介绍了一种新型镍掺杂分级纳米阵列电催化材料的制备方法及其在电催化领域的应用，为清洁能源的发展提供了新的解决方案。
背景技术
在当前能源危机和环境污染日益严重的背景下，开发高效、可再生的催化材料以促进清洁能源的生产与转化已成为科研领域的重要方向。电催化在能源转化和储存中扮演着重要角色，尤其是在氢气生产反应中。迄今为止，贵金属及其氧化物(pt/c和ruo2)是高效的her和oer催化剂，但由于成本高、储量低、电化学稳定性差是大规模应用的必然障碍。因此，开发新型高效、稳定的电催化材料成为研究热点。
硫化物和氢氧化物等材料因其良好的电化学活性和稳定性，在电催化应用中受到了广泛关注。尤其是硫化亚铜(cu2s)作为一种有前景的电催化材料，由于其独特的电子结构和导电性，可在多种电催化反应中展现出优异的性能。然而，纯硫化亚铜在催化性能和稳定性方面仍存在一定的局限性，特别是在反应活性和耐久性方面。
近年来，掺杂技术被广泛应用于改善材料的电催化性能。研究表明，引入镍(ni)等金属元素可以有效提升硫化亚铜的催化活性，同时增强其导电性。此外，氢氧化钴(co(oh)2)因其良好的电催化特性也受到重视，其与硫化亚铜的复合可望进一步提升催化反应的表现。与此同时，自支撑纳米阵列电催化剂也引起了广泛的关注。首先，垂直排列的纳米阵列可以提供大的电化学活性区域，使电解质有效进入活性位点，加速电解质和气体的扩散；另一方面，纳米阵列在导电基板上的原位生长使电流之间的电荷快速转移收集体和活性位点，并防止活性物质脱层。
为了实现上述研究目标，开发一种新型的镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备方法显得尤为重要。分级结构能够提供更大的比表面积和丰富的反应活性位点，从而提高材料的电催化效率。然而，现有技术中尚缺乏系统的合成方法来有效制备这种复合材料，并在电催化反应中展示其优越的性能。
因此，探索和开发一种新型的镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备技术，并评估其在电催化方面的应用潜力，以期为清洁能源的发展提供新的解决方案。
技术实现思路
本发明的目的在于提供一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备方法；通过优化合成方法与调节掺杂比例，使得所得到的分级纳米阵列在电催化反应中表现出较低的过电位和优异的稳定性，解决了现有催化剂催化效率低下、耐久性差等问题和稳定性不足的问题。
为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
s1、氢氧化铜纳米带阵列的制备：按质量比为氢氧化钠：过硫酸铵＝1：0.2～0.3的比例称取氢氧化钠和过硫酸铵，然后将氢氧化钠和过硫酸铵和20ml去离子水混合，常温下搅拌均匀后，加入泡沫铜基底，在25～35℃下进行30～60min的化学氧化反应，反应结束后，收集产物并用去离子水洗涤，在40～60℃下真空干燥后获得具有自支撑泡沫铜基底的氢氧化铜纳米带阵列前驱体；
s2、镍掺杂硫化亚铜纳米棒阵列的制备：按质量比为镍盐：硫源＝2～4：30～60的比例称取硝酸镍和硫化钠，并将镍盐和硫源溶入50ml去离子水中，常温下搅拌均匀后，加入s1中得到的自支撑泡沫铜基底的氢氧化铜纳米带阵列前驱体在120～180℃下进行6～12h的水热反应，反应结束后，收集产物并用去离子水洗涤，在50～60℃下真空干燥后获得以泡沫铜为基底的镍掺杂硫化亚铜纳米棒阵列；
s3、镍掺杂分级纳米阵列电催化材料的制备：取5～6g钴盐溶于100～200ml去离子水中，常温下搅拌均匀后，加入以泡沫铜为基底的镍掺杂硫化亚铜纳米棒阵列，然后在电压为-1～-2v的电处理箱中进行10～60min的电沉积处理，处理结束后收集产物并用去离子水洗涤，在50～60℃下真空干燥后即可获得以镍掺杂的分级纳米阵列催化材料。
进一步的，s1中，加入的泡沫铜基底尺寸为2*3cm2。
进一步的，所述镍掺杂硫化亚铜纳米棒的直径为300nm。
本发明的另一目的在于提供一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的应用，其特征在于，所述镍掺杂的分级纳米阵列催化材料用作电催化工作电极，应用于电解水析氢和析氧反应的电极中。
进一步的，所述镍掺杂的分级纳米阵列催化材料在水解析氢和析氧电极中作为双功能电催化剂，在100ma cm-2电流密度下析氢过电位≤262mv，析氧过电位≤430mv。
本发明的有益效果是：
本发明所述制备方法得到的镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料，具有均匀的纳米尺寸分布、高比表面积和高导电性等特点，能够在泡沫铜基底上原位生长镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料，形成自支撑的分级纳米阵列结构并直接作为电催化剂电极使用；
本发明通过元素掺杂策略将金属镍引入到硫化亚铜中，可以调节原始硫化亚铜的电子结构，优化催化剂表面上对中间体的吸附/解吸能，提升材料的电子导电性和催化效率；本发明制备的镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料结构提高了材料的比表面积，增加了更多的反应位点，加快了电化学反应的速率，增强了其在电催化反应中的稳定性；
本发明制备的镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料，在析氢反应和析氧反应中都具有高的电催化活性和稳定性，实现了双功能水分解电催化剂电极的制备；
本发明制备的催化剂结构可控、制备方法简单，适合于大规模生产，能够降低生产成本，同时保证材料性能的优越性，为电催化材料的商业化应用奠定基础。
技术特征
一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
根据权利要求1所述的一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备方法，其特征在于，s1中，加入的泡沫铜基底尺寸为2*3cm2。
根据权利要求1所述的一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备方法，其特征在于，所述镍掺杂硫化亚铜纳米棒的直径为300nm。
一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的应用，其特征在于，所述镍掺杂的分级纳米阵列催化材料用作电催化工作电极，应用于电解水析氢和析氧反应的电极中。
据权利要求4任一项所述的一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的应用，其特征在于，所述镍掺杂的分级纳米阵列催化材料在水解析氢和析氧电极中作为电催化工作电极，在100ma cm-2电流密度下析氢过电位≤262mv，析氧过电位≤430mv。
技术总结
本发明公开了一种镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料的制备方法及其应用，涉及纳米材料制备技术领域，所述制备包括以泡沫铜作为基底材料，氢氧化钠和过硫酸铵作为原料配置成溶液，通过化学氧化处理在泡沫铜基底上原位生长合成氢氧化铜纳米带阵列前驱体，然后将前驱体通过水热处理转化为镍掺杂硫化亚铜纳米棒阵列，经电沉积过程在纳米棒上形成均匀的纳米片，即可获得镍掺杂的分级纳米阵列电催化材料；本发明通过优化合成方法与调节掺杂比例，使得所得到的分级纳米阵列在电催化反应中表现出较低的过电位和优异的稳定性，解决了现有催化剂催化效率低下、耐久性差等问题和稳定性不足的问题。
技术研发人员：贾丽娜,张怡熳,孙良玲
受保护的技术使用者：河南省科学院物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/3/24