一种镍合金纳米电极及其制备方法与应用与流程

本发明涉及纳米电极，具体涉及一种镍合金纳米电极及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着纳米材料制造技术的迅速发展，已催生出诸多瞩目的成果。近年来，大量研究人员继续挖掘着纳米材料在电化学领域的优秀特性。镍合金纳米材料由于具有较好的化学稳定性和导电性，且能够提供更高的灵敏度和更快的响应速度被广泛用于制作纳米电极，其相对于传统的铜材料电极具有更大的比表面积，这意味着在相同尺寸下可以提供更多的活性表面，有利于增强与电解质的接触面积，从而提高电化学反应速率和传输效率。

2、相关技术中，制备镍合金纳米材料电极常见方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、电化学沉积等，通过这些方法可以控制电极的尺寸、形貌和结构，从而调控其电化学性能。如采用恒电流电沉积法制备ni/co催化电极，其制得的电极不仅具有高比表面积和稳定性，而且具有优异的催化析氢性能。然而实际应用过程中，采用恒电流电沉积法制备电极不仅对生产环境要求高、制备工艺复杂，且制备过程易出现局部电流密度不均匀，导致沉积层厚度不均匀的问题。此外，由于对镍合金纳米电极机理研究相对欠缺，目前制得的镍合金电极材料还存在易氧化和电催化效果相对较低的问题。

3、因此，仍需寻求一种制备工艺简单、且电催化效果优异、耐高温不易氧化的镍合金纳米材料电极材料。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种镍合金纳米电极及其制备方法与应用，本发明的镍合金纳米电极具有优异的电化学性能，其在200ma/cm2电流密度时，析氢过电位在200mv以下，此外，该镍合金纳米电极还具有优异的热稳定性和机械强度，且制备工艺简单，相对于恒电流电沉积法，对制备环境无特殊要求(如需要考虑电解液体系)，且成膜速率高，能够产生高质量、致密、均匀的膜层。

2、本发明的第一方面，提供了一种镍合金纳米电极，包括以下步骤：

3、s1、对泡沫镍进行预处理，去除表面杂质，备用；

4、s2、在惰性气氛下，以所述预处理的泡沫镍为衬底，然后以金属镍和金属铜或金属钼为靶材进行磁控溅射，在泡沫镍表面沉积镍/铜复合层或镍/钼复合层；

5、s3、在惰性气氛下，以所述步骤s2制得的含复合层的泡沫镍为衬底，采用磁控溅射铝靶或铬靶，经水热氧化处理后，干燥即得。

6、作为本发明的一个实施方案，步骤s1中，所述预处理包括依次对所述泡沫镍进行盐酸和丙酮处理，然后进行去离子水和乙醇清洗至中性。

7、作为本发明的一个实施方案，所述泡沫镍的孔径分布为10～40微米；进一步地，所述泡沫镍的孔隙率大于95％。

8、较好的孔隙率有助于提高泡沫镍活性表面积，泡沫镍作为电催化材料，其催化反应涉及电子传递过程。高孔隙率可以提供更多的电子传递通道，减少电子传递路径的阻力，促进电子的流动，进而提高催化反应的效率和响应速度。

9、作为本发明的一个实施方案，步骤s2中，所述磁控溅射过程中，腔体真空度为0.8～1.5pa，加热温度为500～650℃，底座转速为10～15rpm。

10、作为本发明的一个实施方案，步骤s2中，以所述金属镍为靶材时，所述磁控溅射的功率为30～50w，溅射时间为2～8min。

11、作为本发明的一个实施方案，所述磁控溅射为射频磁控溅射，其中射频频率为8～12mhz。

12、射频磁控溅射相对于常规的直流磁控溅射具有优异的沉积速率，可以更好地提供均匀而连续的薄膜沉积，且通过调节离子束的能量和角度，可以实现对薄膜沉积的控制，使其均匀分布于整个衬底表面。

13、作为本发明的一个实施方案，步骤s2中，以所述金属铜或金属钼为靶材时，所述磁控溅射的功率为60～80w，溅射时间为5～10min。

14、在本发明的实施方案中，当磁控溅射功率过大，制得的镍合金纳米电极电催化效果显著降低，如当以所述金属铜或金属钼为靶材时，将功率调整至100w时，其制得的镍合金纳米电极膜层会出现开裂，进一步检测其电催化性能发现，其在200ma/cm2电流密度时，析氢过电位达到237mv，远低于本发明的镍合金纳米电极电催化效果。

15、作为本发明的一个实施方案，所述磁控溅射为直流磁控溅射。

16、作为本发明的一个实施方案，所述磁控溅射完成后，以3～6℃/min速率降温。

17、作为本发明的一个实施方案，步骤s3中，所述磁控溅射过程中，腔体真空度为0.8～1.2pa，加热温度为60～80℃，溅射功率为60～90w，溅射时间为30～120s。

18、作为本发明的一个实施方案，步骤s3中，所述磁控溅射选自射频磁控溅射或直流磁控溅射；优选为射频磁控溅射，其中射频频率为8～12mhz。

19、作为本发明的一个实施方案，步骤s3中，所述水热氧化处理的温度为60～100℃，时间为5～8h。

20、作为本发明的一个实施方案，步骤s2和/或步骤s3中，所述惰性气体包括氮气或氩气。

21、作为本发明的一个实施方案，所述镍/铜复合层或镍/钼复合层的厚度为20～50μm。

22、作为本发明的一个实施方案，步骤s3中形成的氧化铝膜层厚度为50～100nm。

23、作为本发明的一个实施方案，步骤s3中，所述干燥是在70℃～80℃真空干燥2h～6h。

24、本发明的第二方面，提供了一种镍合金纳米电极，其采用第一方面所述的制备方法制得。

25、作为本发明的一个实施方案，所述镍合金纳米电极包含基底层、固溶强化导电层和纳米氧化层。

26、本发明的第三方面，提供如第一方面任一项所述的制备方法或第二方面所述的镍合金纳米电极在制备超级电容器中的应用。

27、与现有技术相比，本发明的镍合金纳米电极的制备方法及其制得的镍合金纳米电极至少具有如下有益效果：

28、(1)本发明的镍合金纳米电极具有优异的热稳定性和机械强度，该镍合金纳米电极在泡沫镍的基础上采用双磁控溅射工艺掺杂了ni-cu或ni-mo复合层，cu或mo均是有助于提高热稳定性和机械强度的元素，其通过固溶方式掺杂在泡沫镍表面，相对于未掺杂组，其能够显著提供电极材料的热稳定和机械强度。

29、(2)本发明的镍合金纳米电极具有优异电催化活性，通常认为镍合金纳米电极相对于常规的铜电极具有更好的化学稳定性，能够抵抗氧化、腐蚀等环境条件下的影响，以及更高的机械强度、硬度和耐磨性，但是就其材料本身的电导率而言，镍合金的导电性能可能不及铜，因此，现有的镍合金纳米电极存在电导率低的问题，而本技术方案通过合理掺杂固溶强化导电元素，可以有效解决镍合金纳米电极电导率低的技术问题。其在具有更好的化学稳定性、机械强度、硬度和耐磨性的同时，具有更为优异的电催化活性。

30、(3)本发明的镍合金纳米电极制备工艺简单，相对于恒电流电沉积法，对制备环境无特殊要求(如需要考虑电解液体系)，且成膜速率高，能够产生高质量、致密、均匀的薄膜。此外，获得的镍合金纳米电极在后续使用过程中无需进行钝化处理，具有优异的抗氧化性能。