一种镍铁氮化物电极材料及其制备方法和应用

本发明属于材料领域，具体涉及一种镍铁氮化物电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氢气是一种高燃烧热值(1.43×108j/kg)的能量载体，且燃烧产物无污染，是一种理想的清洁能源，通过电解水获得的氢气纯度高，因此电解水制氢技术具有很大的发展前景。电解水理论电势为1.23v，由于反应动力学原因，电解水的实际电势需达到1.55v甚至是1.65v，引入高活性催化材料可以通过改变反应能垒降低相应反应过电势，进而提高能量转化效率。当前性能最好的电解水析氢催化材料为铂基催化材料，但贵金属成本高昂且储量稀少，不利于大规模制氢的推广。此外，目前电解水的原料主要为高纯度水，加速了淡水资源的消耗，电解海水制氢可以大幅度降低对淡水资源的需求，进一步降低整体电解水制氢成本，且有可能实现海水淡化处理，缓解当前淡水资源危机，达到一举多得的效果。但海水中存在多种离子、杂质及微生物，这将对电极的催化性能提出更高的要求。其中海水的高cl—环境对电极造成的影响最大，它不仅会刻蚀电极的金属基底，造成催化材料的失活，还会在阳极发生析氯反应，产生clo—等副产物，降低能量转换效率；对电极材料而言，能否较好地抵抗氯离子腐蚀是决定其能否用于海水电解的关键环节。

2、在众多非贵金属化合物中，氮化物由于其高导电性及化学稳定性，是电解海水阴极材料的理想选择之一。而在各种氮化物中，不同的非贵金属元素组合形成的氮化物的制备方法及催化性能也表现出较大的差别。feni3n是一种面心立方结构，其中fe占据角位，ni占据面心，n占据体心。zong liu等人在450℃下对feni3合金进行2小时空气氧化使其表面形成相应氧化物，随后进行3小时氨气煅烧得到内部中空的feni3n结构，在1m koh溶液中达到10ma/cm2的电流密度需要的过电势为185mv(j.mater.chem.a,2021年9卷7750页)，但该方法合成涉及两步高温煅烧且煅烧时间长，产物为粉末材料，在实际使用过程中通过加入粘合剂与玻碳电极结合，这将不可避免地造成一些活性位点的损失；且在电解水过程中feni3n粉末催化材料很容易从基底上脱落，导致性能损耗，无法实现长时间稳定运行。此外，包括上述催化材料在内的大多数镍铁基氮化物都仅适用于电解淡水，还未能实现在电解海水领域的应用。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种电极材料。

2、本发明的目的之二在于提供一种电极材料的制备方法。

3、本发明的目的之三在于提供一种电解水制氢系统。

4、本发明的目的之四在于提供一种流动池装置。

5、本发明的目的之五在于提供一种电极材料和/或电极材料的制备方法在电化学领域或催化领域中的应用。

6、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

7、本发明的第一个方面提供了一种电极材料，包括导电基材和位于导电基材表面的feni3/feni3n纳米片阵列；所述feni3/feni3n纳米片阵列是由feni3/feni3n纳米片排列而成；所述feni3/feni3n纳米片的长度不超过1μm。

8、优选地，所述feni3/feni3n纳米片是由包括feni3和feni3n的纳米颗粒组装而成。

9、优选地，所述feni3/feni3n纳米片的厚度为50～150nm。

10、优选地，所述电极材料达到-10ma/cm2的电流密度需要的过电势为78～189mv。

11、优选地，所述电极材料达到-100ma/cm2的电流密度需要的过电势为314～354mv。

12、本发明的第二个方面提供了本发明第一个方面提供的电极材料的制备方法，包括以下步骤：

13、s1：使包括镍源、铁源、碱性化合物、形貌调节剂、导电基材的制备原料混合并进行水热反应，制得nife双金属氢氧化物-导电基材；

14、s2：将所述nife双金属氢氧化物-导电基材在含氮气氛下煅烧，制得所述电极材料。

15、优选地，所述镍源选自硝酸镍、氯化镍或其组合；进一步优选地，所述镍源选自硝酸镍。

16、优选地，所述铁源选自硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的至少一种；进一步优选地，所述铁源选自硝酸铁。

17、优选地，所述碱性化合物选自尿素、六亚甲基四胺中的至少一种；进一步优选地，所述碱性化合物为尿素。碱性化合物是为水热反应提供碱性环境。

18、优选地，所述形貌调节剂包括氟化铵。氟化铵的作用是用来调节nife双金属氢氧化物-导电基材的形貌。

19、优选地，所述导电基材选自泡沫镍、不锈钢网；进一步优选地，所述导电基材选自泡沫镍。

20、优选地，所述含氮气氛选自氨气或含氨气的惰性气体；进一步优选地，所述含氮气氛选自氨气。

21、优选地，所述镍源、铁源、碱性化合物的质量比为：1：(0.1～1)：(0.6～1)。

22、优选地，所述形貌调节剂与镍源的质量比为(0.1～0.3)：1。

23、优选地，所述水热反应的温度为110～150℃。

24、优选地，所述水热反应的时间为5～15h。

25、优选地，所述煅烧温度为300～650℃。

26、优选地，所述煅烧时间为1～5h。

27、本发明的第三个方面提供了一种电解水制氢系统，包括本发明第一个方面提供的电极材料。

28、优选地，所述电解水制氢系统为电解纯水制氢系统或电解海水制氢系统。

29、本发明的第四个方面提供了一种流动池装置，包括本发明第一个方面提供的电极材料。

30、本发明的第五个方面提供了本发明第一个方面提供的电极材料和/或本发明第二个方面提供的电极材料的制备方法在电化学领域或催化领域中的应用。

31、本发明的有益效果是：本发明中的电极材料在1mol/l的koh溶液和1mol/l koh海水溶液中达到10ma/cm2的电流密度需要的过电势分别为105mv、137mv，且能实现在模拟海水中长时间稳定运行超100小时，在电解海水领域具有较高的应用前景。此外，本发明电极材料中的feni3n的原料来源广泛，结构抗腐蚀性好，且催化性能较为优异，在海水电解领域拥有较好的应用前景，且feni3/feni3n纳米片阵列结构的比表面积大，催化活性位点较多，因此，具有优异的电解纯水或海水制氢的性能。

32、本发明中电极材料的制备方法的制备原料来源广泛，成本低廉，反应条件温和，利用相对温和的水热法结合氨气煅烧，在导电基材基底上原位生长了具有富晶界特点的feni3/feni3n纳米片阵列复合结构。

技术特征：

1.一种电极材料，其特征在于：包括导电基材和位于导电基材表面的feni3/feni3n纳米片阵列；所述feni3/feni3n纳米片阵列是由feni3/feni3n纳米片排列而成；所述feni3/feni3n纳米片的长度不超过1μm。

2.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于：所述feni3/feni3n纳米片是由包括feni3和feni3n的纳米颗粒组装而成。

3.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于：所述feni3/feni3n纳米片的厚度为50～150nm。

4.权利要求1～3任一项所述的电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的电极材料的制备方法，其特征在于：所述镍源选自硝酸镍、氯化镍或其组合；

6.根据权利要求4所述的电极材料的制备方法，其特征在于：所述水热反应的温度为110～150℃；

7.一种电解水制氢系统，其特征在于：包括权利要求1～3任一项所述的电极材料。

8.根据权利要求7所述的电解水制氢系统，其特征在于：所述电解水制氢系统为电解纯水制氢系统或电解海水制氢系统。

9.一种流动池装置，其特征在于：包括权利要求1～3任一项所述的电极材料。

10.权利要求1～3任一项所述的电极材料和/或权利要求4～6任一项所述的电极材料的制备方法在电化学领域或催化领域中的应用。

技术总结本发明公开了一种镍铁氮化物电极材料及其制备方法和应用，所述电极材料包括导电基材和位于导电基材表面的FeNi3/FeNi3N纳米片阵列；所述FeNi3/FeNi3N纳米片阵列是由FeNi3/FeNi3N纳米片排列而成；所述FeNi3/FeNi3N纳米片的长度不超过1μm。本发明中的电极材料在1mol/L的KOH溶液和1mol/L KOH海水溶液中达到10mA/cm2的电流密度需要的过电势分别为105mV、137mV，且能实现在模拟海水中长时间稳定运行超100小时，在电解海水领域具有较高的应用前景。技术研发人员：刘一蒲,童丽,张旭,叶齐通,林仕伟受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20