一种通过离子注入制备电催化材料的方法和相关应用与流程

1.本技术涉及一种通过离子注入制备电催化材料的方法和相关应用，属于催化材料及清洁能源制备技术领域。


背景技术：

2.在现代化学工业中，约有90％以上的反应都需要使用催化剂，如石油化工、生物化学、环镜保护等方面。在催化过程中，通常只有与反应物接触的催化剂表面可以表现出催化活性，而催化剂内部的位点都被浪费了，因此，减小催化剂尺寸，增加催化剂的暴露表面积是提高催化效率的重要方法之一。当这种减小发挥到极致时，就是实现催化活性位点的单个分散，即原子分散催化剂。
3.到目前为止，已有很多报道证实，当催化剂尺寸减小到原子级别时，其具有比金属纳米簇和纳米粒子更高的活性。如金属铂、铱、金等原子分散负载在铁氧化物，氧化铝，氧化铈等氧化物上制备单原子分散的催化剂，这些催化剂在水煤气转化(j.am.chem.soc.2013,135,15314-15317)、硝基加氢(nature communications 5,5634(2014))、co氧化(nature chemistry 3,634
–
641(2011))等方面都表现出非常优秀的催化活性。但这些催化剂的制备过程中，往往需要复杂的浸渍反应及后续的高温热处理，制备过程复杂，且这些制备方法只能针对一些特殊的载体和原子分散，制备方法不具有普适性；且该方法不能够实现对原子分散的含量、掺杂深度等高度有序的调控制备。又如专利cn 109012732 a、专利cn 109967113 a，制备原子分散催化剂时，使用大量的有机物和配体，造成环境污染等问题，难以实现大规模制备和应用。


技术实现要素：

4.根据本技术的第一个方面，提供了一种电催化材料，包括基底和电催化剂；其中，所述基底表层为催化层，所述电催化剂位于所述催化层中，且呈原子级分散。该类材料可应用于各种电催化反应，且在长期催化反应中可保持优秀的活性和稳定性。
5.本技术中，所述原子级分散是指电催化剂分散存在于催化层中，未在催化层表面形成颗粒或团簇，且在催化层内部，电催化剂既未与基底作用形成周期性的新物相，也未单独形成新物相。
6.可选地，所述催化层的厚度为0.05～0.5μm；优选0.15～0.35μm；
7.可选地，所述催化层厚度的下限值选自0.05μm、0.06μm、0.07μm、0.08μm、0.09μm、0.10μm、0.11μm、0.12μm、0.13μm、0.14μm、0.15μm、0.16μm、0.17μm、0.18μm、0.19μm、0.20μm、0.21μm、0.22μm、0.23μm、0.24μm、0.25μm、0.26μm、0.27μm、0.28μm、0.29μm、0.30μm、0.31μm、0.32μm、0.33μm、0.34μm、0.35μm、0.36μm、0.37μm、0.38μm、0.39μm、0.40μm、0.41μm、0.42μm、0.43μm、0.44μm、0.45μm、0.46μm、0.47μm、0.48μm或0.49μm；上限值选自0.06μm、0.07μm、0.08μm、0.09μm、0.10μm、0.11μm、0.12μm、0.13μm、0.14μm、0.15μm、0.16μm、0.17μm、0.18μm、0.19μm、0.20μm、0.21μm、0.22μm、0.23μm、0.24μm、0.25μm、0.26μm、0.27μm、0.28μm、0.29μm、
0.30μm、0.31μm、0.32μm、0.33μm、0.34μm、0.35μm、0.36μm、0.37μm、0.38μm、0.39μm、0.40μm、0.41μm、0.42μm、0.43μm、0.44μm、0.45μm、0.46μm、0.47μm、0.48μm、0.49μm或0.50μm。
8.沿所述催化层的厚度方向上，由表面向里，所述电催化剂的含量呈类正态分布。
9.本技术中，所述类正态分布是指呈先增加后减小的趋势。
10.可选地，所述电催化剂在所述催化层中的质量含量为0.05～5wt％。本技术中，所述电催化剂在所述催化层中的质量含量为催化层中电催化剂总质量/电催化层总质量*100％。
11.可选地，所述电催化剂在所述催化层中的质量含量的下限值选自0.05wt％、1wt％、1.2wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、2.6wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％或4.5wt％；上限值选自0.05wt％、1wt％、1.2wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、2.6wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％或5wt％；
12.优选的，在所述催化层表面0.07～0.28μm厚度中所述电催化剂质量含量达到最大，为1.0～3.5wt％。
13.可选地，所述电催化剂为金属元素；
14.所述金属元素选自铁、钴、镍、锰、钒、铬、铜、钼、钨、铂、铱、钌、铈、镧中的至少一种；
15.所述金属元素与所述基底中所含金属元素不同；
16.本技术中，所述基底用于稳定注入的电催化剂，起支撑作用；所述基底可以具有电催化性能也可以不具有电催化性能。
17.所述基底为纯金属基底或合金基底；
18.所述基底选自板状结构、块状结构、泡沫结构、网状结构、粉末状结构中的至少一种；优选板状、泡沫结构或网状结构；
19.在一可选实施例中，所述基底选自泡沫铜、泡沫镍、泡沫铁、泡沫钛、镍丝网、铁丝网、钛丝网、镍粉、铁粉中的至少一种。
20.所述纯金属基底中的金属元素选自镍、铁、钛、铜中的一种；
21.所述合金基底选自镍铁合金、镍铝合金、镍铬合金、铁铬合金中的至少一种。
22.在一具体实施例中，本发明提供一种含原子分散催化层的电催化材料，该材料包括基底材料和原子分散催化层，其中含原子分散的表层材料是催化活性层，基底材料为稳定原子分散提供客体及为催化层提供支撑。
23.本技术的第二方面，提供了上述任一项所述的电催化材料的制备方法，该方法制备原子分散催化材料受电催化剂种类和基底材料限制极小，具有非常宽广的普适性；另外，该制备方法工艺简单，制备成本低，环境友好，可实现对催化层的精确控制，具有非常大的应用潜力。
24.所述的电催化材料的制备方法包括：
25.通过离子注入将电催化剂引入基底的表层中，形成所述电催化剂呈原子级分散的催化层，得到所述电催化材料。
26.本技术中，离子注入不会对基底的形貌造成明显的改变。
27.可选地，在进行离子注入之前，对所述基底进行预处理；
28.所述预处理选自清洗、氧化、还原、氮化、硫化、刻蚀、冲击、切削中的至少一种。
29.可选地，所述清洗的具体条件包括：
30.采用溶剂对基底进行清洗，所述溶剂选自丙酮、乙醇、水中的至少一种。
31.可选地，所述氧化的具体条件包括：
32.在含氧气的气氛中进行；
33.氧化温度为100～500℃；
34.氧化时间为0.5～3h。
35.可选地，所述还原的具体条件包括：
36.在含氢气的气氛下进行；
37.还原温度为200～600℃；
38.还原时间为0.5～6h。
39.可选地，所述氮化反应的具体条件包括：
40.在含氨气的气氛下进行；
41.氮化温度为300～600℃；
42.氮化时间为0.5～6h。
43.可选地，所述的硫化反应的具体条件包括：
44.在含硫化氢气体的气氛下进行；
45.硫化温度为300～600℃；
46.硫化时间为0.5～6h。
47.本技术中，所述含氧气的气氛包括氧气、空气或者氧气与氮气和/或惰性气体的混合物；
48.所述含氢气的气氛为氢气与氮气和/或惰性气体的混合物；
49.所述含氨气的气氛为氨气与氮气和/或惰性气体的混合物；
50.所述含硫化氢的气氛为硫化氢与氮气和/或惰性气体的混合物。
51.通过对基底进行预处理，可增加注入离子后形成的催化层的活性及稳定性。
52.可选地，所述离子注入的具体条件包括：
53.真空度1*10-4
～5*10-3
pa；
54.加速电压为10～100kv；
55.注入离子剂量为1*10
14
～1*10
17
ions/cm2；
56.弧电流为5～200a；
57.时间为1～600min。
58.可选地，所述催化层的厚度为0.05～0.5μm；优选0.15～0.35μm；
59.可选地，所述催化层厚度的下限值选自0.05μm、0.06μm、0.07μm、0.08μm、0.09μm、0.10μm、0.11μm、0.12μm、0.13μm、0.14μm、0.15μm、0.16μm、0.17μm、0.18μm、0.19μm、0.20μm、0.21μm、0.22μm、0.23μm、0.24μm、0.25μm、0.26μm、0.27μm、0.28μm、0.29μm、0.30μm、0.31μm、0.32μm、0.33μm、0.34μm、0.35μm、0.36μm、0.37μm、0.38μm、0.39μm、0.40μm、0.41μm、0.42μm、0.43μm、0.44μm、0.45μm、0.46μm、0.47μm、0.48μm或0.49μm；上限值选自0.06μm、0.07μm、0.08μm、0.09μm、0.10μm、0.11μm、0.12μm、0.13μm、0.14μm、0.15μm、0.16μm、0.17μm、0.18μm、0.19μm、0.20μm、0.21μm、0.22μm、0.23μm、0.24μm、0.25μm、0.26μm、0.27μm、0.28μm、0.29μm、0.30μm、0.31μm、0.32μm、0.33μm、0.34μm、0.35μm、0.36μm、0.37μm、0.38μm、0.39μm、0.40μm、
0.41μm、0.42μm、0.43μm、0.44μm、0.45μm、0.46μm、0.47μm、0.48μm、0.49μm或0.50μm。
60.沿所述催化层的厚度方向上，由表层向里，所述电催化剂的含量呈先增加后减小的类正态分布。
61.可选地，所述电催化剂在所述催化层中的质量含量为0.05～5wt％。
62.可选地，所述电催化剂在所述催化层中的质量含量的下限值选自0.05wt％、1wt％、1.2wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、2.6wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％或4.5wt％；上限值选自0.05wt％、1wt％、1.2wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、2.6wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％或5wt％；
63.优选的，在所述催化层表面0.07～0.28μm厚度中所述电催化剂质量含量达到最大，为1.0～3.5wt％。
64.可选地，所述电催化剂为金属元素；
65.所述金属元素选自过渡金属或稀土元素中的至少一种；所述金属元素与所述基底中所含金属元素不同；
66.其中，所述过渡金属元素选自铁、钴、镍、锰、钒、铬、铜、钼、钨、铂、铱、钌中的至少一种，所述稀土元素为铈、镧；
67.所述基底为纯金属基底或合金基底；
68.所述基底选自板状结构、块状结构、泡沫结构、网状结构、粉末状结构中的至少一种；
69.所述纯金属基底中的金属元素选自镍、铁、钛、铜中的一种；
70.所述合金基底选自镍铁合金、镍铝合金、镍铬合金、铁铬合金中的至少一种。
71.本技术的第三个方面，提供了上述任一项所述的电催化材料、上述任一项所述的制备方法制备的电催化材料中的至少一种在电催化领域的应用。
72.可选地，上述任一项所述的电催化材料、上述任一项所述的制备方法制备的电催化材料中的至少一种在碱性电解水析氢/析氧反应、酸性电解水析氢/析氧反应、二氧化碳还原反应、固氮反应、氧还原反应中的应用。
73.根据提供的含原子分散催化层的电催化材料的应用，在使用该材料作为不同电催化反应电极时，可根据反应种类挑选匹配的、适当的催化层中呈原子级分散的电催化剂种类及基底材料种类。
74.可选地，所述电催化材料在使用前进行活化处理；所述活化处理包括化学活化和/或电化学活化。
75.本技术中，通过对电催化材料活化处理，可增加注入离子后形成的催化层的活性及稳定性。
76.可选地，所述化学活化选自浸泡活化、酸洗活化、氧化活化、还原活化中的至少一种。
77.可选地，所述电化学活化选自恒电位活化、循环伏安活化、电位阶跃活化中的至少一种；
78.可选地，所述化学活化具体包括：
79.所述酸洗活化为将所述电催化材料浸入酸溶液中浸泡0.5～12h，其中所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸的水溶液，所述酸溶液的浓度为0.01～6m；
80.所述氧化活化为将所述电催化材料在含氧气的气氛中进行活化，活化温度为100～500℃，氧化时间为0.5～6h；
81.所述还原活化为将所述电催化材料在含氢气的气氛中进行活化，活化温度为200～600℃，还原时间为0.5～6h。
82.可选地，所述电化学活化具体包括：
83.所述恒电位活化为将所述电催化材料放入测试溶液中，在-1.5～2v内任一电位下，恒电位处理0.5～24h；
84.所述循环伏安活化为将所述电催化材料放入测试溶液中，在0～1.6v电位范围内以100mv/s的扫描速度，循环伏安活化100～300圈；
85.所述电位阶跃活化为将所述电催化材料放入测试溶液中，在-1.5～2v内任一电位范围内下，阶跃式恒电位处理0.5～24h。
86.本技术中，所述测试溶液选自电化学测试中使用的电解液，包括但不限于氢氧化钾(koh)溶液、氢氧化钠(naoh)溶液、硫酸(h2so4)溶液、高氯酸(hclo4)溶液、碳酸钠(naco3)溶液中的至少一种。
87.本技术能产生的有益效果包括：
88.(1)该发明通过离子注入的方法，可实现在多种金属基底上制备含原子级分散的电催化剂的催化层。该制备方法受基底材料和电催化剂种类的限制极小，具有非常广泛的普适性，具有非常好的应用和研究意义。
89.(2)与现有的含原子级分散催化剂的催化材料制备方法相比，本发明提供的制备方法工艺简单，制备成本低，便于放大制备；在该制备过程中，不需使用大量的有机物和配体材料，环境友好，制备损耗少，材料利用度高；另外，该方法可实现对原子分散催化层的精确控制，包括催化层中原子含量，掺杂深度等。
90.(3)该发明提供的含原子级分散催化层的电催化材料，可应用于各种电催化反应，通过对原子级分散催化层中电催化剂种类和基底材料的合理选择和匹配，可将该类材料应用于各种电催化反应体系中，且该类材料可以表现出优秀的催化活性和稳定性；因此本发明提供的制备方法及材料具有非常大的应用潜力。
附图说明
91.图1是实施例1中样品s-1#的扫描电镜图片。
92.图2是实施例1中样品s-1#的电子能谱edx检测的元素含量图。
93.图3是实施例1中样品s-1#的x射线衍射(xrd)图谱。
94.图4是实施例1中样品s-1#的催化层中铁元素xps fe2p图谱。
95.图5是实施例1中样品s-1#的催化层中镍元素xps ni2p图谱。
96.图6是实施例1中样品s-1#的催化层中元素含量随深度变化曲线。
97.图7是实施例1中样品s-1#与对比例d-1#在三电极条件下析氧测试性能曲线图。
98.图8是实施例1中样品s-1#与对比例d-1#在三电极条件下析氢测试性能曲线图。
99.图9是实施例2中样品s-2#与实施例1中样品s-1#在三电极条件下稳定性测试曲线。
具体实施方式
100.下面通过具体的实施例对本发明做进一步的描述，需要强调的是，在本发明提供含原子分散催化层的电催化材料应用中，该材料可用于各种电催化反应电极，下面示例仅以将该材料作为电解水电极为例做说明。下面提供的实施例仅仅是示例性的，而非限制性的。如无特别说明，实施例中的原料未经特殊处理，均为商业购买直接使用；检测仪器使用厂家推荐参数。
101.实施例中，三电极测试采用garmy的interface 5000型电化学工作站。
102.实施例中，样品的形貌和表面元素分析采用带有能谱的quanta 200feg型扫描电镜测定。
103.实施例中，样品的x射线衍射(xrd)图采用rigaku d/max-2500型x射线衍射仪测试，采用cu kα射线
104.实施例中，样品的xps分析采用vg escalab mk2型x射线能谱仪测定；
105.实施例中，离子注入采用香港等离子体科技有限公司提供的高能金属离子注入机(hemii-80)。
106.对比例1：
107.提供一种电催化材料，为镍金属材质，呈10*5*1mm的板状结构材料，对比例命名为d-1#。
108.实施例1：
109.本实施例提供一种电催化材料，该材料选用的基底材料为镍金属基底板状结构(即对比例1中的电催化材料，后续简称镍基底)，选用的电催化剂为金属铁。该材料的制备方法具体包括：
110.(1)镍基底清洗：
111.将镍基底依次在丙酮、乙醇、水中进行清洗，去除表面油污，将清洗后镍基底自然晾干；
112.(2)离子注入制备催化层：
113.对清洗后的镍基底进行铁离子注入，得到表层(催化层)中含有原子级分散的铁元素的电催化材料，采用单面注入，注入真空度为1*10-3
pa，加速电压为60kv，弧电流为100a，注入离子剂量为5*10
16
ions/cm2，注入时间为350min。
114.对制备得到的电催化材料进行电极活化：
115.对步骤(2)得到电催化材料(以下简称电极)进行化学活化，具体包括：将电极浸入0.5m硫酸溶液中，半小时后取出，冲洗干净，命名为样品s-1#。
116.对样品s-1#进行形貌表征：
117.用扫描电镜对样品s-1#进行形貌表征，结果如图1所示，并用电子能谱edx测定电极中的元素组成，结果如图2所示。
118.结果显示：样品s-1#中，电催化剂铁元素的引入对基底材料的形貌没有明显的改变，且注入元素均进入基底内部，未在基底表面形成颗粒和团簇。由于引入的铁元素在催化层中为原子分散形式，且含量很低，edx中不能检测到铁的存在；
119.用x射线衍射仪对含电催化剂铁的催化层进行表征(xrd)，结果如图3所示，结果显示，注入后的样品只显示镍基底的峰，说明注入的铁元素未与基底作用形成新的物相，也未
单独形成新物相。
120.对样品s-1#催化层中铁元素和镍元素进行元素xps表征，结果如图4和5所示，在催化层中，检测到铁元素，镍元素的存在；且从铁元素的xps图谱分析，与资料中的单一铁化合物对比，样品中含铁物种中fe元素的2p峰往高结合能偏移，说明铁镍之间存在强相互作用，镍的相对较强吸电子作用，使得铁呈现更高的价态和结合能，注入铁元素未在基底中单独形成新物相；另外，从镍元素的xps信号判断，基底大量镍物质的化学环境没有明显变化。结合样品edx、xps及xrd结果以及离子注入方法的原理可以判断，引入的铁元素在催化层中，特别是接触溶液参与催化反应的表层处含量极低，未单独形成新物相，以原子级分散形式存在。
121.利用xps配合氩离子溅射枪，对样品s-1#进行逐层剥离,从而获得样品在深度方向的成分信息，表1中给出在距离表面不同深度的平面内，铁元素含量的变化情况：
122.表1：样品s-1#的xps表面测试深度与铁元素含量表
[0123][0124][0125]
其中，铁元素含量＝任一深度下催化层中铁元素质量/该深度下催化层中总元素质量*100％。
[0126]
图6给出样品s-1#中铁元素含量随相对深度的变化曲线，从曲线来看，在催化层中，铁元素含量随深度变化呈近类正态分布的先增加后减少的趋势；本技术中，催化层是指基底材料含有铁元素的外表层，样品s-1#的催化层厚度为0.35μm，所述催化层中铁元素的质量含量在0.05～2.63wt％之间。
[0127]
对样品s-1#进行性能表征：
[0128]
在三电极体系中，以样品s-1#为工作电极，汞/氧化汞为参比电极，铂片为对电极，浓度1m的氢氧化钾(koh)作为电解质，以循环伏安法法，扫描速度20mv/s来测试该电极作为析氧电极的电化学活性，欧姆补偿为90％。在相同条件下，以对比例提供的d-1#作为工作电极，测试该电极作为析氧电极的电化学活性；结果如图7和表2所示，可见在表层引入原子级分散的铁元素形成催化层后，样品s-1#的电催化析氧活性明显提高。
[0129]
在三电极体系中，以样品s-1#为工作电极，汞/氧化汞为参比电极，石墨片为对电极，浓度1m的氢氧化钾(koh)作为电解质，以线性扫描法，扫描速度5mv/s来测试该电极作为析氢电极的电化学活性，欧姆补偿为90％。在相同条件下，以对比例提供的d-1#作为工作电极，测试该电极在碱性条件下作为析氢电极的电化学活性；结果如图8所示，可见在表层引
入原子级分散的铁元素形成催化层后，样品s-1#的电催化析氢活性明显提高。
[0130]
实施例2：
[0131]
本实施例提供一种电催化材料，该材料选用的基底材料为镍金属基底板状结构(即对比例1中的电催化材料，后续简称镍基底)，选用的电催化剂为金属铁。该材料的制备方法具体包括：
[0132]
(1)镍基底还原预处理：
[0133]
将镍基底在含氢气为5vol.％的氢气和氮气混合气氛中，450℃高温下还原2小时，自然降温，得到表面预处理过的镍基底；
[0134]
(2)离子注入制备催化层：
[0135]
对表面预处理过的镍基底进行铁离子注入，得到表层中含有原子级分散的铁元素的电催化材料，采用单面注入，注入真空度为1*10-3
pa，加速电压为20kv，弧电流为30a，注入离子剂量为5*10
15
ions/cm2，注入时间为150min。
[0136]
将该电催化材料命名为样品s-2#。
[0137]
对样品s-2#进行形貌表征：
[0138]
表征方法与实施例1相同，样品s-2#形貌与样品s-1#类似，铁元素在催化层中呈原子级分布，样品s-2#的催化层厚度为0.2μm，样品s-2#的催化层中铁元素的质量含量在0.1～1.2wt％之间。
[0139]
对样品s-2#进行性能表征：
[0140]
在三电极体系中，以样品s-2#为工作电极，其他测试条件与实施例1相同，测试该电极在碱性条件下，作为析氧电极的电化学活性，测试结果如表2所示，与样品s-1#对比，可见即使不进行离子注入后样品活化，可通过对基底材料预处理的方法实现对样品活性的提高。
[0141]
在三电极体系中，以样品s-2#为工作电极，其他测试条件与实施例1相同，测试该电极在碱性条件下，作为析氢电极的电化学活性，结果与实施例1相似，在表层引入原子级分散的铁元素形成催化层后，样品s-2#的电催化析氢活性明显提高。
[0142]
图9给出样品s-1#与样品s-2#稳定性测试对比，测试方法包括：
[0143]
与上述三电极条件下测试析氧活性装置相同，测试方法为恒电压测试，在1.65v恒电位下，测试样品的催化稳定性变化。
[0144]
从图9中来看，基底材料表面还原预处理后制备的催化电极稳定性更有优势，因此，可以通过对基底材料的预处理增加注入离子后形成的催化层的稳定性。
[0145]
实施例3：
[0146]
本实施例提供一种电催化材料，该材料选用的基底材料为镍金属基底板状结构(即对比例1中的电催化材料，后续简称镍基底)，选用的电催化剂为金属铁。该材料的制备方法具体包括：
[0147]
(1)镍基底还原预处理：
[0148]
将镍基底在氢气为5vol.％的氢气和氮气混合气氛中，600℃高温下还原2小时，自然降温，得到表面预处理过的镍基底；
[0149]
(2)离子注入制备催化层：
[0150]
对表面预处理过的镍基底进行铁离子注入，得到表层中含有原子级分散的铁元素
的电催化材料，采用单面注入，注入真空度为1*10-3
pa，加速电压为40kv，弧电流为60a，注入离子剂量为3*10
16
ions/cm2，注入时间为300min。
[0151]
对制备得到的电催化材料进行电极活化：
[0152]
对步骤2)得到电催化材料(以下简称电极)进行电化学活化，具体包括：在1m氢氧化钾溶液中，将电极在1.2-1.6v的电位范围内以100mv/s的扫描速度，循环伏安活化200圈，将电极取出，冲洗干净，命名为样品s-3#。
[0153]
对样品s-3#进行形貌表征：
[0154]
表征方法与实施例1相同，样品s-3#形貌与样品s-1#类似，铁元素在催化层中呈原子级分布，样品s-3#的催化层厚度为0.28μm，样品s-3#的催化层中铁元素的质量含量在0.5～2.1wt％之间。
[0155]
对样品s-3#进行性能表征：
[0156]
在三电极体系中，以样品s-3#为工作电极，其他测试条件与实施例1相同，测试该电极在碱性条件下，作为析氧电极的电化学活性测试结果如表2所示，对离子注入后的样品进行电化学活化后，可进一步提高样品的活性。对比无论采用化学活化还是电化学活化，含有原子分散催化层的电极，均可表现优秀的催化活性。
[0157]
在三电极体系中，以样品s-3#为工作电极，其他测试条件与实施例1相同，测试该电极在碱性条件下，作为析氢电极的电化学活性，结果与实施例1相似，在表层引入原子级分散的铁元素形成催化层后，样品s-3#的电催化析氢活性明显提高。
[0158]
表2是实施例3中样品s-3#，与实施例1中样品s-1#，实施例2中样品s-2#在三电极条件下测试性能对比。
[0159]
表2：样品s-1#，s-2#，s-3#活性对比表
[0160][0161]
实施例4：
[0162]
在本实施例提供一种电催化材料，该材料采用的基底材料为10*10*1mm规格的60目铁丝网状结构材料，注入离子为铬元素。
[0163]
(1)铁丝网基底预处理：
[0164]
将铁丝网基底在氨气气为5vol.％的氨气气和氮气混合气氛中，500℃高温下氮化4小时，自然降温，得到表面预处理过的铁丝网基底；
[0165]
(2)离子注入制备催化层：
[0166]
对清洗后的铁丝网基底进行铬离子注入，得到表层中含有原子级分散的铬元素的电催化材料，采用单面注入，注入真空度为1*10-3
pa，加速电压为50kv，弧电流为60a，注入离子剂量为5*10
16
ions/cm2，注入时间为200min。
[0167]
对制备得到的电催化材料进行电极活化：
[0168]
对步骤2)得到电催化材料(以下简称电极)进行化学活化，具体包括：将电极浸入3m硫酸溶液中，半小时后取出，冲洗干净，命名为样品s-4#。
[0169]
对样品s-4#进行形貌表征：
[0170]
表征方法与实施例1相同，样品s-4#形貌与样品s-1#类似，铬元素在催化层中呈原子级分布，样品s-4#的催化层厚度为0.3μm，样品s-4#的催化层中铬元素的质量含量在0.5～2.7wt％之间。
[0171]
对样品s-4#进行性能表征：
[0172]
在三电极体系中，以样品s-4#为工作电极，其他测试条件与实施例1相同，测试该电极在碱性条件下，作为析氧/析氢电极的电化学活性，与铁丝网基底材料电催化活性相比，该电极表现优秀的电催化活性，这与铬离子注入，在基底材料表面形成的铬元素单分散催化层是非常关键的。
[0173]
实施例5：
[0174]
在本实施例提供一种电催化材料，该材料采用的基底材料为10*10*1mm的镍铬(铬15wt％)合金泡沫结构材料，注入离子为铂元素。
[0175]
(1)镍铬合金基底预处理：
[0176]
将镍铬合金基底在空气中，300℃高温下氧化两小时，自然降温，得到表面预处理过的镍铬合金基底；
[0177]
(2)离子注入制备催化层：
[0178]
对表面预处理过的镍铬合金基底进行铂离子注入，得到表层中含有原子级分散的铂元素的电催化材料，采用单面注入，注入真空度为2*10-3
pa，加速电压为30kv，弧电流为30a，注入离子剂量为1*10
15
ions/cm2，注入时间为20min。
[0179]
对制备得到的电催化材料进行电极活化：
[0180]
对步骤2)得到电催化材料(以下简称电极)进行电化学活化，具体包括：在1m氢氧化钾溶液中，将电极在0-1.2v的电位范围内以100mv/s的扫描速度，循环伏安活化50圈，将电极取出，冲洗干净，命名为样品s-5#。
[0181]
对样品s-5#进行形貌表征：
[0182]
表征方法与实施例1相同，样品s-5#形貌与样品s-1#类似，铂元素在催化层中呈原子级分布，样品s-5#的催化层厚度为0.15μm，样品s-5#的催化层中铂元素的质量含量在0.08～1.0wt％之间。
[0183]
对样品s-5#进行性能表征：
[0184]
在三电极体系中，以样品s-5#为工作电极，其他测试条件与实施例1相同，测试该电极在碱性条件下，作为析氧/析氢电极的电化学活性与镍铬合金基底材料电催化活性相比，该电极表现优秀的电催化活性，在镍铬合金表面进行铂离子注入，形成了原子分散的铂催化层，在电化学环境下，高分散的铂表现出了优秀的催化活性。
[0185]
以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。