泡沫镍原位生长多级自组装二碲化钼/碲化镍纳米片双功能自支撑电极及其制备方法与应用

本发明涉及一种泡沫镍原位生长多级自组装二碲化钼/碲化镍纳米片双功能自支撑电极及其制备方法与应用，属于电催化。

背景技术：

1、当前，全球环境问题备受瞩目，这源于对化石燃料的普遍依赖以及因大量人为排放的温室气体而导致的气候变化。这一问题不仅引发了对可持续能源的需求，同时也促使社会更加关注环境保护和气候可持续性的挑战。为应对全球能源危机，科研人员积极投入开发安全、绿色、可持续的未来能源新技术。在广泛探索的各种可再生能源之中，氢能因其出色的能量密度、零碳排放以及燃烧产物只有纯水的特性而被视为下一代最具竞争力的清洁能源。氢能的开发与利用满足了人类社会日益增长的能源需求，同时大力推动全球向更环保、可持续的能源方向的转变。因此，近年来，人们将注意力集中于提高氢生产效率的研究当中。电化学水分解作为一种具有巨大工业潜力的制氢策略，成为研究的热点。然而，整体水分解过程由阴极的析氢反应(her)和阳极的析氧反应(oer)组成，受到两个电极上存在较大过电位的缓慢动力学过程的限制。为克服这一挑战，开发高效的电催化剂以降低反应能垒、提高能量效率成为水分解研究的首要任务。尽管铂基和钌基电催化剂被广泛认为是最有效的her和oer催化剂，但它们的高成本和稀缺性限制了它们在大规模工业水分解中的应用。因此，为her和oer寻找贵金属电催化剂的替代品成为了迫切的需求，这些替代品由非贵金属和非金属元素组成，在提高催化活性和稳定性方面卓有成效。

2、在电化学催化应用中，电极材料是至关重要的。传统的粉体电极材料在电极的制备过程中通常需要使用聚合物粘合剂，如nafion。然而，这种粘合剂的使用带来了许多问题。首先，它会封闭催化剂的部分活性位点，从而降低长期稳定性和催化活性。其次，粉体材料在电极制备过程中可能使得材料的电导率降低，比表面积减小，以及机械稳定性减弱。为了解决这些问题，研究者们开始探索自支撑电极。自支撑电极与传统的粉体电极不同，它在电极材料中具有足够的自稳定性，无需使用外部支持或粘合剂来维持其形状，它具有优异的电导率，大的比表面积，以及强的机械稳定性。这些优点使得自支撑电极在电化学催化应用中具有巨大的潜力

3、过渡金属氧化物、硫化物、硒化物和碲化物的许多异质结构已经被研究用于电催化。特别是，过渡金属碲化物(tmt)异质结构由于其生态友好性、天然丰富性和良好的导电性而成为廉价的替代材料。先前的研究表明，催化剂的催化效率随着金属和阴离子之间共价键极性的增大而提高；并且随着硫族原子的电负性沿序列降低，金属-硫族原子键的共价键极性逐步增大。此外，直接在三维(3d)基底上形成的碲化物异质结提供了巨大的比表面积，刺激了催化剂-基底界面的电荷转移，提高了电极的机械完整性，暴露了更多的催化活性位点，并促进了物质扩散。因此，在3d导电基底上直接制备碲化物异质界面是加速电催化反应的有效方法，泡沫镍(nf)作为一种3d模板，在碱性介质中表现出优异的机械性能和耐腐蚀性，因此适用于电催化应用的碲化物异质界面的合成。比如zhu等人通过化学气相沉积和煅烧法在nf上制备了铁掺杂的碲化镍/磷化镍(fe-nite-ni12p5/nf)复合材料，在电流密度为50ma·cm-2时，oer的过电位为330mv，并获得了超过60小时的稳定性。yun等人通过溶液-凝胶和煅烧法在nf上制备了nife2o4/六方nite杂化物，其在电流密度为10ma·cm-2时，her的过电位为148.8mv，tafel斜率为73.67mv·dec-1。但过渡金属碲化物自支撑电极目前的研究进展中制备过程往往比较复杂，需要严格的实验条件，限制了该类电极的大规模制备和实际应用；并且大多数自支撑电极都面临催化活性物质的负载量较少的情况，这直接影响其催化性能。较低的负载量会导致活性位点暴露不足，限制了电催化水分解反应速率，同时增加了过电位。

4、因此简化制备方法、优化反应条件并提高过渡金属碲化物自支撑电极上催化活性物质的负载量是提高这类电极的催化活性、可扩展性和经济性的关键；并且当前未见泡沫镍原位生长刀锋状多级自组装二碲化钼/碲化镍纳米片双功能电催化自支撑电极及其制备方法与应用的相关报道。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术不足，本发明提供了一种泡沫镍原位生长多级自组装二碲化钼/碲化镍纳米片双功能自支撑电极及其制备方法与应用。本发明使用简单的一步水热法，以泡沫镍作为基底材料，同时利用原位生长和多级自组装技术制备得到双功能电催化自支撑电极。本发明的方法实现了催化活性物质的高负载和良好的循环稳定性，并且能够实现自支撑电极材料的高导电性和机械稳定性。此外，二碲化钼/碲化镍纳米片双功能电催化特性使得制备的自支撑电极具有优异的电化学催化性能。本发明制备方法操作简单、成本低廉、安全无毒，不仅可以消除传统粉体电极材料的弊端，还可以克服自支撑电极的局限性，有望实现工业化生产，具有广阔的应用前景。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种泡沫镍原位生长多级自组装二碲化钼/碲化镍纳米片双功能自支撑电极的制备方法，包括步骤如下：

4、(1)将亚碲酸钠、无水钼酸钠加入去离子水中，搅拌至溶解，随后滴加水合肼水溶液，搅拌均匀，得到混合溶液；

5、(2)将洗涤后的泡沫镍加入步骤(1)所得混合溶液中，进行水热反应；之后经洗涤、干燥，得到泡沫镍原位生长多级自组装二碲化钼/碲化镍纳米片双功能自支撑电极。

6、根据本发明优选的，步骤(1)中所述亚碲酸钠和无水钼酸钠的摩尔比为1:1-3。

7、根据本发明优选的，步骤(1)中所述去离子水的体积与亚碲酸钠的质量之比为40-150ml:1g。

8、根据本发明优选的，步骤(1)中所述水合肼水溶液的浓度为40-85wt％；所述水合肼水溶液中的水合肼与亚碲酸钠的摩尔比为10-40:1；所述水合肼水溶液的滴加速度为1-2滴/s。

9、根据本发明优选的，步骤(1)中所述搅拌的转速均为500-800r/min；加入亚碲酸钠、无水钼酸钠后的搅拌时间为20-30min，进一步优选为25min；水合肼水溶液滴加完后的搅拌时间为2-5min。

10、根据本发明，步骤(2)中所述泡沫镍的尺寸没有具体限定，优选为长宽比为2:1的长方形块状，更优选的，所述泡沫镍的长为2cm，宽为1cm，厚度为1.0mm，孔径为120ppi。

11、根据本发明优选的，步骤(2)中，泡沫镍的洗涤步骤为：将泡沫镍依次使用丙酮、盐酸溶液、去离子水、乙醇各超声清洗20-40min，以去除表层氧化镍和油脂；然后在60℃下真空干燥3-4h，得到洗涤后的泡沫镍；进一步优选的，所述盐酸溶液的浓度为3mol/l。

12、根据本发明，步骤(2)中所述混合溶液的体积与洗涤后的泡沫镍的大小没有具体限定，完全浸没即可，可稍过量。

13、根据本发明优选的，步骤(2)中所述水热反应的温度为160-200℃，进一步优选为180℃；所述水热反应的时间为20-30h，进一步优选为24h。

14、根据本发明优选的，步骤(2)中所述洗涤为使用水冲洗3-5次；所述干燥为在60-70℃下真空干燥8-12h。

15、本发明还提供了上述制备方法制备得到的泡沫镍原位生长多级自组装二碲化钼/碲化镍纳米片双功能自支撑电极。

16、根据本发明，上述泡沫镍原位生长多级自组装二碲化钼/碲化镍纳米片双功能自支撑电极在电解水中的应用。

17、本发明与现有技术相比具有以下优点：

18、1、本发明通过一步水热法在泡沫镍上原位生长了刀锋状多级自组装二碲化钼/碲化镍纳米片，制备过程简单、反应条件可控、安全无毒，不仅实现了催化活性物质的高负载和良好的循环稳定性，而且提高了自支撑电极的导电性和催化活性。

19、2、本发明的泡沫镍上原位生长二碲化钼/碲化镍纳米片构成电催化剂作为整体双功能电极材料，利用多级自组装技术提高了电极材料的比表面积，使得活性位点充分暴露，同时二碲化钼和碲化镍的复合，二者协同催化，促进了电子的传输，降低了电阻，降低了her和oer的过电位，具有优异的电化学催化性能。

20、3、本发明所使用的泡沫镍作为基底材料，成本低廉，与传统粉体电催化剂电极材料相比，规避了粘结剂的应用，降低能耗，有望实现工业化生产，具有广阔的应用前景。

21、4、本发明的方法，在反应过程中亚碲酸钠产生的碲离子与泡沫镍表面裸露的镍反应生成碲化镍，并且碲离子还与无水钼酸钠分解的钼离子反应生成二碲化钼，均匀负载在分级自组装的碲化镍纳米片的表面，在泡沫镍表面形成稳定的纳米片阵列结构。本发明制备得到的自支撑电极材料通过原位生长，二碲化钼/碲化镍与泡沫镍之间形成良好的连接，提高了催化活性物质同自支撑电极之间的稳定性和导电性，克服了自支撑电极的局限性，在电解水等领域具有很高的实用价值和很好的应用潜力，为实现绿色、高效的能源转化提供了新的解决方案。