NiCoP@NiCoLDH@C三维电极的制备及电解水应用

本发明属于新能源材料，具体涉及一种nicop@nico ldh@c三维电极的制备及电解水应用。

背景技术：

1、近年来，随着各个国家对化石能源的需求越来越多，而传统能源诸如石油、天然气的储量不断减少，氢气这种燃烧时热量释放高、可以循环使用、清洁无环境污染的新能源逐渐引起人们的关注。电催化水裂解过程能利用催化剂将水分解为氢气和氧气，而在这个过程中催化剂的选择对于电解水速率的快慢影响至关重要。目前来说，贵金属基电催化剂(pt、ruo2、iro2)催化活性最高，但昂贵的价格限制了其在电催化裂解水过程中的大规模应用。所以，开发价格低廉且效率优异的非贵金属电催化剂迫在眉睫。

2、在众多的非贵金属电催化剂中，过渡金属磷化物因其电子构型的独特性和晶体结构多样性被广泛应用到电催化水裂解过程中。同时在过渡金属磷化物中，金属元素的含量与材料的稳定性和导电性息息相关，磷元素由于其极强的电负性会改变过渡金属磷化物与氢原子之间的吸/脱附方式，使得其在参与析氢反应(her)过程中展现出良好的电化学性能。

3、过渡金属磷化物用于析氧反应(oer)时，会有各种化学物质诸如氧化物、羟基氧化物、磷酸化合物等在其表面产生，同时因为oer反应属于四电子反应，基元反应和质子电子的转移过程多且复杂，所以对过渡金属磷化物参与oer反应的机理研究仍然在进行中。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种nicop@nico ldh@c三维电极及其制备方法和电解水应用，三维(3d)网络结构因为其丰富内部空间和较大的表面积有助于促进离子的快速扩散和增强的反应动力学，进而具有电催化活性高、选择性优异等优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明提供了一种nicop@nico ldh@c三维电极，在碳基底表面均匀密布nicop@nico ldh纳米线阵列，所述nicop@nico ldh纳米线与碳基底纤维表面垂直，所述nicop@nico ldh纳米线直径为100-200nm。三维(3d)网络结构有利于电子/离子的快速传输，有效降低电阻和反应能垒，从而促进电催化性能的提高。

4、本发明还提供了该nicop@nico ldh@c三维电极的制备方法，包括下述步骤：

5、(1)制备nico(co3)(oh)2nws@c：将co(no3)2·6h2o，ni(no3)2·6h2o和co(nh2)2一起放入烧杯中，然后加入去离子水搅拌使药品混合溶解，直至溶液呈现粉红色透明状态。将一块碳基底放入溶液中，超声清洗，然后将碳基底和溶液转移到高压釜中，在100-140℃下进行5-8h水热反应。反应完成待样品冷却至室温后，取出制备的产物，将样品洗涤并在真空烘箱中干燥，即可得到nico(co3)(oh)2nws@c。

6、(2)制备nicop@c：将nah2po2粉末放入洗净且干燥的烧杯中，加入去离子水搅拌溶解，直至溶液呈无色透明状态。将第一步中制备的nico(co3)(oh)2nws前驱体浸入溶液中10-14h，然后在真空干燥箱中干燥。最后将干燥的样品置于磁舟中在氮气气氛下以5℃ min-1的升温速率在200-500℃下煅烧1-3h。结束后样品洗涤干净并进行真空干燥。

7、(3)制备nicop@nico ldh@c：将co(no3)2·6h2o，ni(no3)2·6h2o溶解在去离子水中搅拌混合均匀，电沉积过程是三电极系统中进行，扫描速度设置为0.02-0.03v s-1，循环伏安扫描圈数设置为20-30圈。其中工作电极，参比电极和对电极分别对应于nicop@c前驱体，hg/hgo电极和铂片电极。电沉积后，将样品置于真空烘箱中干燥。

8、进一步地，步骤(1)中co(no3)2·6h2o水溶液的浓度为0.05-0.5mol/l，ni(no3)2·6h2o水溶液的浓度为0.01-0.1mol/l，co(nh2)2水溶液的浓度为0.08-0.8mol/l。

9、进一步地，步骤(2)中nah2po2水溶液的质量浓度为0.07-0.7g/ml。

10、进一步地，步骤(3)中co(no3)2·6h2o水溶液的浓度为0.02-0.2mol/l，ni(no3)2·6h2o水溶液的浓度为0.02-0.2mol/l。

11、进一步地，所述碳基底为碳布或碳毡或碳纸或碳纤维等具有高柔性、高导电性的织物碳基底。

12、本发明还提供了所述的nicop@nico ldh@c三维电极作为her催化剂在电解水制氢反应中的应用。

13、本发明还提供了所述的nicop@nico ldh@c三维电极作为oer催化剂在电解水制氧反应中的应用。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、1、本发明以碳基质为基底，通过水热法、改性磷化法和电沉积法制备了三维自支撑的nicop@nico ldh@c电极，在析氢反应、析氧反应中展现出电催化活性高、过电位低等优点。该材料作为催化剂用于her时，在碱性电解质中时，10ma cm-2电流密度下的过电位低至178mv；tafel斜率为80mv dec-1。在酸性电解质中，10ma cm-2电流密度下过电位为114mv；tafel斜率为79mv dec-1。作为析氧电极时，在碱性电解质中，10ma cm-2电流密度下具有310mv的过电位；tafel斜率为115mv dec-1。

16、2、本发明将纳米结构生长在导电碳基底上，构筑的三维结构呈现良好的协同作用，基于碳基底丰富的导电网络、过渡金属磷化物优异的赝电容特性和独特的三维结构，电极材料能够发挥出最佳的电催化性能，为构建具有三维多级结构的过渡金属磷化物材料提供了一种简便的策略。

17、3、本发明在自支撑基材料上构筑三维纳米结构，引入的碳纳米结构可以有效改善过渡金属磷化物的分散性和稳定性，而在碳和磷原子之间存在着不对称电子自旋密度和电荷电负性差异有利于极化的发生，因此磷掺杂碳纳米结构可显著增强催化性能。

技术特征：

1.一种nicop@nico ldh@c三维电极，其特征在于：在碳基底表面均匀密布nicop@nicoldh纳米线阵列，所述nicop@nico ldh纳米线与碳布纤维表面垂直，所述nicop@nico ldh纳米线直径为100-200nm。

2.一种权利要求1所述nicop@nico ldh@c三维电极的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：

3.根据权利要求2所述的nicop@nico ldh@c三维电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中co(no3)2·6h2o水溶液的浓度为0.05-0.5mol/l，ni(no3)2·6h2o水溶液的浓度为0.01-0.1mol/l，co(nh2)2水溶液的浓度为0.08-0.8mol/l。

4.根据权利要求2所述的nicop@nico ldh@c三维电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中nah2po2水溶液的质量浓度为0.07-0.7g/ml。

5.根据权利要求2所述的nicop@nico ldh@c三维电极的制备方法，其特征在于：步骤(3)中co(no3)2·6h2o水溶液的浓度为0.02-0.2mol/l，ni(no3)2·6h2o水溶液的浓度为0.02-0.2mol/l。

6.根据权利要求1所述的nicop@nico ldh@c三维电极的制备方法，其特征在于：所述碳基底为碳布或碳毡或碳纸或碳纤维。

7.一种权利要求1所述的nicop@nico ldh@c三维电极作为her催化剂在电解水制氢反应中的应用。

8.一种权利要求1所述的nicop@nico ldh@c三维电极作为oer催化剂在电解水制氧反应中的应用。

技术总结本发明属于一种以碳基质为导电基底，通过水热法、改性磷化法和电沉积法制备了三维自支撑的NiCoP@NiCo LDH@C电极，具体涉及步骤简单、耗时短，并且可用于析氢反应(HER)、析氧反应(OER)的应用。此电极一维NiCoP纳米线和二维NiCo LDH纳米片的结合可以促进电子扩散，大大增加材料与电解液之间的接触面积，为电催化过程提供更多数量的活性位点，从而有效提高电极在催化过程中的活性。参与析氢反应时，使用NiCoP@NiCo LDH@C电极在1M KOH和0.5M H<subgt;2</subgt;SO<subgt;4</subgt;电解质中分别在10mA cm<supgt;‑2</supgt;的电流密度具有178mV和114mV的低过电位，塔菲尔斜率为80mV dec<supgt;‑1</supgt;和79mV dec<supgt;‑1</supgt;。此外，在1M KOH溶液中，NiCoP@NiCo LDH@C电极在10mA cm<supgt;‑2</supgt;的电流密度下OER过电位低至310mV，塔菲尔斜率为115mV dec<supgt;‑1</supgt;，展现出良好的电催化性能。本发明成本低、电催化活性高、操作简便，并且在酸性和碱性条件下对HER、OER显示出优异的催化性能。技术研发人员：王丽丽,韦羽佳,徐俊青,赵一冰,何昊嘉,刘志航,王嘉璐受保护的技术使用者：天津工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5