一种Fe掺杂NiMo超薄纳米片自延展材料及其制备方法和电催化应用

本发明属于无机纳米材料领域和催化剂制备研究领域，具体涉及一种fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料及其制备方法和电催化应用。

背景技术：

1、传统纳米催化剂的制备工艺离不开热源，无论水热溶剂热还是管式炉加热的合成策略都需要热量并且持续时间长，它们通常涉及烘箱和管式炉等设备的使用，生产成本高。而热量主要来自于电力，电能到热能间转换往往伴随着能量损耗。而使用电沉积技术替代传统加热手段，将电能作为直接工具，降低中间环节浪费，有效提升电能使用率。

2、目前火力发电是世界最大的供电端，海量煤和石油等化石燃料燃烧所带来的副产物(二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物)会对大气造成污染，严重降低aqi值，甚至引发雾霾等恶劣天气，影响人们正常生活行为；而且不可再生能源的剧烈使用，将进一步加速资源危机到来。电沉积技术则可以使用稳定性低的可再生能源发电途径，对储备的风光弃电进行利用，降低催化剂的制备成本，促使资金流入技术突破方面，推动产业走向绿色环保型。

3、另外，电沉积所制备的纳米催化剂将应用于电解水制氢制氧工艺，典型的碱性全解水分为两个部分，阳极的析氧反应(oer)和阴极的析氢反应(her)，这两个半反应分别涉及4e-和2e-转移体系，相互竞争的阴阳极给催化剂研发带来难点。具有高oer催化特性的阳极催化剂往往析氢活性不尽人意，而显著降低her反应过电位的阴极材料又无法打破析氧反应的缓慢动力学，致使整体水分解效率大打折扣。

4、因此，探索一种高活性双功能电催化剂以用于整体水裂解，有力催动阴阳极气体析出，收集水分解所产生的氢气氧气，又可为再次生产材料提供动力来源，使得工业体系达到几乎完美的绿色循环。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料及其制备方法，只需两步电沉积技术，就可得到fe掺杂nimo超薄纳米片在泡沫镍上自延展的材料，所需生产成本较廉价，制备工艺耗时短，设备简易。

2、本发明还有一个目的在于提供一种fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料电催化应用，以fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料作为催化剂，应用于碱性全解水反应。所述fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料在析氧反应oer中的应用；所述fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料在析氢反应her中的应用；以及fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料双功能特性分别应用全解水的阴阳极，共同促进析氢析氧，催化性能优异。

3、本发明具体技术方案如下：

4、一种fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料的制备方法，包括以下步骤：

5、1)向有机溶剂中加入铁源、镍源和有机化合物，混匀，作为电解液，泡沫镍作为工作电极，利用三电极体系，进行第一次电沉积，得到前驱体泡沫镍；

6、2)将钼源溶解在溶剂中混匀，作为电解液，加入步骤1)制备的前驱体泡沫镍作为工作电极，利用三电极体系，进行第二次电沉积，得到fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料。

7、步骤1)中，泡沫镍使用前需进行预处理，去除长期置于空气中产生的氧化层(氧化镍)；预处理方式为：先6m hcl溶液浸泡超声15min，完成后放入自来水下反复冲洗，去除表面盐酸；再用无水乙醇浸泡超声15min，完成后放入自来水下反复冲洗，再用无水乙醇冲洗3次，然后经过真空干燥箱中干燥1-2h，取出密封备用。

8、步骤1)中，所述泡沫镍裁剪为2cm×2cm再使用；

9、步骤1)中，所述铁源、镍源和有机化合物的摩尔比为：1:1:1；

10、步骤1)中，所述铁源和有机溶剂的用量比为0.01-0.3mmol/ml；

11、步骤1)中，所述铁源选自可溶性铁盐，优选为六水合三氯化铁fecl3·6h2o；

12、步骤1)中，所述镍源选自可溶性镍盐，优选为六水合硝酸镍ni(no3)2·6h2o；

13、步骤1)中，所述有机化合物选自六亚甲基四胺c6h12n4(hmta)；

14、步骤1)中，所述有机溶剂选自无水乙醇；

15、步骤1)中，所述混匀采用超声加搅拌的处理方式混匀；

16、步骤1)中，所述第一次电沉积是指：采用典型的三电极体系，采用chi660e/chi760e-上海辰华仪器有限公司，参比电极为ag/agcl电极，对电极为碳棒，工作电极为处理好的泡沫镍；

17、步骤1)中，所述电沉积条件是指：电流分析法i-t-amperometric i-t curve，电压为-4至-6v，时间为1000s-3000s；优选为：设置电压-5v，设置时间1800s；

18、步骤1)中，电沉积结束后，泡沫镍经过超纯水冲洗，无水乙醇冲洗，无需干燥，直接进行第二步电沉积工艺；

19、步骤1)制备的前驱体则表现为40-60nm左右的颗粒堆积结构。

20、步骤1)中，施加的-5v电压，促使工作电极(泡沫镍)表面发生还原反应，电解液中的fe3+和ni2+在持续的还原电流下迁移至泡沫镍表面沉积下来，且部分发生还原反应，最终形成具有fe掺杂的颗粒堆积结构。

21、步骤2)中，所述钼源选自可溶性钼盐，优选为二水合钼酸钠na2moo4·2h2o；

22、步骤2)中，所述钼源和溶剂的用量比为0.01-0.25mmol/ml；

23、步骤1)中铁源和步骤2)中钼源的用量比为：3：1；

24、步骤2)中，所述溶剂选自超纯水；

25、步骤2)中，所述混匀，超声加搅拌的处理方式混匀；

26、步骤2)中，所述第二次电沉积，采用典型的三电极体系，参比电极为ag/agcl电极，对电极为碳棒，工作电极为步骤1)制备的前驱体泡沫镍；

27、步骤2)中，所述第二次电沉积，采用典型的三电极体系，采用chi660e/chi760e；

28、步骤2)中，所述第二次电沉积，采用电流分析法i-t-amperometric i-t curve,设置电压为-1至-2v，时间为1000s-3000s，优选为：设置电压-1.8v，设置时间1800s；

29、步骤2)中，第二次电沉积结束后，泡沫镍经过超纯水冲洗，无水乙醇冲洗，自然干燥；

30、步骤2)中，fe掺杂nimo超薄纳米片的制备:施加的-1.8v电压，促使工作电极(泡沫镍)表面产生还原电流，电解液中的mo6+在持续的电子运动下迁移至泡沫镍表面沉积下来，mo6+在泡沫镍表面吸附，使得纳米颗粒形貌发生更改，最终形成具有fe掺杂的nimo纳米片。

31、本发明提供的一种fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料，采用上述方法制备得到，形貌为超薄纳米片由内向外自延展而组成的，最外层表现为薄片相互交错连接成类似薄膜网状，表面粗糙；具有大的比表面积。

32、本发明仅用简单的两步电沉积工艺，制备了一种具有双功能特性的实用催化剂。第一步电沉积，施加比较大的负电压(-5v)，持续1800s，阴极上发生还原反应，从工作站流出的电子经过泡沫镍构造的三电极系统重新流回工作站；在外电场作用下，电解液中的fe3+和ni2+金属离子充当e-移动的逆迁移，e-流出泡沫镍，对应的金属阳离子则流向泡沫镍，此时，无水乙醇作为溶剂，由于较低的导电能力可以大幅度减缓fe3+和ni2+迁移速度，在电解液中形成一定的浓度梯度层；金属离子有序的沉积在泡沫镍表面，由内向外自延展生长成纳米片，避免出现堆积过多以及分布不均匀现象；另外，还原反应将产生少量的ni0和fe0，这为oer提供了超高活性。第二步电沉积，施加了较小的负电压(-1.8v)，持续1800s，钼酸钠水溶液中的高价mo作为第二步电沉积过程中的离子迁移途径，在e-迁移的刺激下，沉积在泡沫镍表面。较小的电压未改变前驱体的内部结构，保留了优异的oer性能；mo6+的引入改变其表面特性，使形貌从凹凸的颗粒状扩展为片状；高价态金属离子将助力于阴极的析氢反应(her)，提供了更多的活性位点。fe掺杂nimo超薄纳米片自延展催化剂的hrtem、sead和xrd证实其非晶结构，hrtem未发现明显的晶格条纹，sead则展现出几乎完美的非晶衍射环，xrd仅测试出其基底(泡沫镍)的衍射峰，没有另外的晶面特征。

33、本发明第一步电沉积电解液溶剂选择无水乙醇，因为相比较于超纯水，乙醇具有更低的导电性，可以有效减缓外电场产生的离子迁移速率，使泡沫镍表面附近产生一个离子浓度梯度层；越接近泡沫镍，随着表面离子的沉积，溶液离子消耗量较大，浓度较低，距离表面越远，溶液离子浓度越大。而第二步电沉积电解液溶剂选择超纯水，这是由于钼酸钠不溶于有机溶剂，因此通过降低加入量和终端电压，来减缓mo6+迁移速度。本发明第一步电沉积电解液加入六亚甲基四胺，六亚甲基四胺会优先和电解液中的fe3+形成络合物，限制fe3+迁移率；从而达到fe掺杂的目的。

34、本发明提供的一种fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料电催化应用，以fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料作为催化剂，应用于碱性全解水反应。所述fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料在析氧反应oer中的应用；所述fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料在析氢反应her中的应用；以及fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料双功能特性分别应用全解水的阴阳极，共同促进析氢析氧。

35、所述fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料在碱性析氧反应oer(全解水的析氧反应)中的应用；在10ma cm-2电流密度析氧反应oer中的应用，在1m koh电解液中过电势仅需194mv，远远低于商用贵金属催化剂和大部分非贵金属催化剂，而在100ma cm-2和200ma cm-2电流密度下的过电位分别为234mv和247mv，表现出优异的析氧催化活性。低的过电位克服4e-转移的缓慢动力学壁垒，以更少的能量供给便可驱动同等级下的析氧反应；同时，又可促进碱性全水解分解速率，变相提高氢气产率。

36、所述fe掺杂nimo超薄纳米片自延展催化剂在碱性析氢反应her(全解水的析氢反应)中的应用；其中，在10ma cm-2电流密度析氢反应her中的应用，在1m koh电解液中过电势仅需38mv，甚至能与商用贵金属pt基催化剂相媲美，而在100ma cm-2和200ma cm-2电流密度下的过电位分别为133mv和170mv，催化剂内含大量her活性位点，并且表面大的反应面积进一步加速氢气的产生，有望取代高成本贵金属催化剂，成为碱性全解水阴极催化剂的潜力选择。

37、所述fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料作为双功能催化剂，既可以参与碱性全解水的阳极反应，又能促进全解水的阴极反应速率，二者共同作用助力整体水裂解。在碱性全解水过程中，低的电位能量1.4659v就可达到10ma cm-2电流密度；而在1.6788v可以获得100ma cm-2电流密度值，远远优于其他催化剂。

38、本发明提供了fe掺杂nimo超薄纳米片自延展催化剂应用于阳极氧化，同时设计该催化剂作为阴极上的还原反应，共同促进碱性全水解。

39、本发明设计了fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料实用型催化剂分别应用于oer、her和碱性全解水，以及上述催化剂的制备方法和应用，具体制备方法如下：第一步电沉积，外加铁源、镍源和六亚甲基四胺与乙醇溶剂混合均匀成电解液，利用乙醇溶剂的差导电性构造泡沫镍表面附近的离子浓度梯度层，缓慢沉积出自延展的纳米非晶结构；第二步电沉积，外加钼源，利用外电场施加的电子运动，将高价mo6+沉积至前驱体泡沫镍表面，形成对her高活性的片状结构。fe掺杂nimo超薄纳米片自延展材料表现出对两个竞争反应的双功能催化活性，可同时应用于碱性全水解的阴阳极，协调促进整体水裂解。

40、与现有技术相比，本发明使用了简单的合成策略，以电压驱动非晶结构生长，避免合成过程中能量转换带来的损耗；还将合成的催化剂应用于碱性电解水的两个竞争反应，均展示了优异的催化特性，实现双功能使用。并且在恒电流下测试了材料的长期使用稳定性；电解水产生的氢气和氧气，又可以作为其他工业生产的能量来源以及为该催化剂的再合成提供电能，获得产业链的绿色循环。