CN109811365A - 一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用 - Google Patents

一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN109811365A
CN109811365A CN201910075050.9A CN201910075050A CN109811365A CN 109811365 A CN109811365 A CN 109811365A CN 201910075050 A CN201910075050 A CN 201910075050A CN 109811365 A CN109811365 A CN 109811365A
Authority
CN
China
Prior art keywords
chip arrays
carbon cloth
nsas
nano
base nano
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910075050.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109811365B (zh
Inventor
陈作锋
董欢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongji University
Original Assignee
Tongji University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongji University filed Critical Tongji University
Priority to CN201910075050.9A priority Critical patent/CN109811365B/zh
Publication of CN109811365A publication Critical patent/CN109811365A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109811365B publication Critical patent/CN109811365B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用，通过选择三维导电碳布作为反应基底，通过水热法在基底上生长NiFe LDH纳米片阵列(NiFe LDH NSAs/CC)，以此作为产氧催化剂；并通过水热法将其进一步硒化处理，得到Fe掺杂的Ni0.85Se纳米片阵列(Fe‑Ni0.85Se NSAs/CC)作为产氢催化剂；并将NiFe LDH NSAs/CC与Fe‑Ni0.85Se NSAs/CC组装成两电极全反应电解装置，以此进行全水解测试。与现有技术相比，本发明在碳布上生长的NiFe基催化产氢产氧电极具有良好的催化活性和稳定性等。

Description

一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用
技术领域
本发明属于电催化水分解技术领域，涉及一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用。
背景技术
目前为止，最高效的产氢/产氧催化剂依然为贵金属基催化剂，例如，用于产氢的铂(Pb)基催化剂，用于产氧的钌(Ru)，铱(Ir)基催化剂。然而，由于这些贵金属的自然丰度低，价格昂贵，使得它们的规模化应用受到限制，因此，近年来科学家们致力于研究和开发廉价高效的产氢/产氧催化剂。对于产氢催化剂，目前已开发出高效且低价的电催化剂，例如金属硫化物，金属碳化物，金属氮化物，金属磷化物以及金属硒化物。但是，单一的半反应并不能满足电解水在实际中的应用，所以为了实现水的高效分解，必须开发储量丰富且耦合良好的产氢/产氧催化剂，并将其作为两个电极通过协同作用使得水分解顺利完成。对于另一个半反应所需的产氧催化剂，由3d过渡金属元素组成的层状双金属氢氧化物(LDH)，其独特的分层结构促进了层间离子的自由插层和运输，从而降低了传质阻力，提高了电催化性能，例如ZnCo LDH，NiCo LDH，CoFe LDH以及NiFe LDH。特别是NiFe LDH，具有卓越的产氧活性，甚至超过了大多数已知的过渡金属催化剂的催化产氧性能。
LDH除了具有组成可调性和阴离子易交换性的特点，其形貌在增大活性表面积，提高电催化性能方面也发挥着重要作用。就此而言，二维的LDH材料由于具有纳米级的厚度，使其不仅可以尽可能多地暴露出表面活性位点，而且能够大幅度缩短离子沿厚度方向的传输路径，因而极大地提高了催化活性。但是，LDH纳米片电极的制备依然极具挑战，因为它们极易形成不可逆的团聚体，使得电子无法到达所制材料的内表面，进而减少活性面积，降低催化性能。同时，LDH固有的导电率相对较低，不利于电子传递，导致催化活性降低。此外，粉状LDH纳米片机械稳定性差，进一步限制了其在电化学领域的广泛应用。
为了解决这一问题，一个行之有效的办法是使用高导电材料作为基底来支撑LDH纳米片。但是，传统的电极制作需要在聚合物的粘结作用下才得以完成，这会阻滞活性位点并且增加电活性材料的剥落风险，因此，需要寻找活性位点丰富，催化活性高，导电性能好，多孔结构独特，机械附着力强以及化学稳定性优异的自支撑材料。
本发明正是基于以上背景而提出的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的目的之一在于提供一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列的制备方法，取碳布清洗后，置于含Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、CO(NH2)2、NH4F和水的反应容器中，加热反应，冷却后，得到黄绿色薄膜，即为目的产物。
进一步的，Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、CO(NH2)2、NH4F和水的添加量比为0.5mmol：1.5mmol：10mmol：5mmol：35mL。
进一步的，加热反应的条件为：在120℃下反应8h。
本发明中，NiFe LDH的形成机理如下：
反应过程包括NH4F和CO(NH2)2的水解(eqs 1和2)。水热状态下，尿素可以分解成氨和CO2，之后再转化为CO3 2-和OH-。之后，金属阳离子(Ni2+和Fe3+)和逐渐生成的OH-在交互作用下便会在CC基底上形成NiFe LDH纳米片阵列(eqs3)，CO3 2-则插入夹层结构中以平衡电荷。
NH4F+H2O→NH4 ++OH-+HF (eqs 1)
CO(NH2)2+3H2O→2OH-+2NH4 ++CO2 (eqs 2)
Ni2++Fe3++OH-→NiFe LDH (eqs 3)
NiFe LDH纳米片的厚度会随着加入Ni(NO3)2/Fe(NO3)3的摩尔比的变化而变化，这会影响NiFe LDH NSAs/CC电极上的活性面积大小，从而影响其产氧性能。而在Ni(NO3)2/Fe(NO3)3的摩尔比为3:1时可使其表现出最佳产氧性能。同时反应温度过高、时间过长会导致晶粒团聚，温度低、时间短则无法形成所期产物。
本发明中选择三维导电碳布作为反应基底，通过水热法在基底上生长NiFe LDH纳米片阵列(NiFe LDH NSAs/CC)，以此作为产氧催化剂；并通过水热法将其进一步硒化处理，得到Fe掺杂的Ni0.85Se纳米片阵列(Fe-Ni0.85Se NSAs/CC)作为产氢催化剂。碳布(CC)三维骨架的大孔结构不仅能保证完全暴露出活性位点，而且也促进了碳布和活性物质之间的电荷转移，同时三维碳骨架的限制效应也阻止了LDH纳米片在电化学测试过程中的粉化和聚集。
本发明的目的之二在于提供一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列，采用上述制备方法制备得到。
本发明的目的之三在于提供一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列在电催化水分解方面的应用，以上述制得的基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列作为产氧催化电极，采用所述镍铁基纳米片阵列硒化处理后得到的Ni0.85Se纳米片阵列作为产氢催化电极，即组成两电极全反应电解装置，实现对水电催化分解处理。
进一步的，镍铁基纳米片阵列硒化处理制得Ni0.85Se纳米片阵列的过程具体如下：
(1)：取硒粉加入到溶有NaBH4的去离子水中，持续通入惰性气体，直至溶液呈现澄清状态，形成NaHSe溶液；
(2)：再将步骤(1)制得的NaHSe溶液倒入排尽空气的乙醇中，再加入所述镍铁基纳米片阵列，加热反应，冷却，清洗，烘干，即得到目的产物。
更进一步的，硒粉、NaBH4、去离子水、乙醇和镍铁基纳米片阵列的添加量比为0.059mg：0.065mg：1.5mL：30mL：3cm2大小的NiFe LDH NSAs/CC。
更进一步的，步骤(2)中，加热反应的工艺条件为：在140℃下反应10h。
与现有技术相比，本发明以高导电材料碳布作为基底，通过简单的水热法处理得到交织的纳米片阵列结构NiFe LDH NSAs/CC，以此作为催化产氧电极。碳布的高导电性，镍铁的协同作用以及交错的网络结构大大增加了催化电极的活性面积，相较于以前的二维材料以及本发明中另外两种单独的镍基、铁基材料，其产氧活性极大提高，且性能十分稳定，同时交织的纳米片结构在长时间电解后依然可以保持原貌。在NiFe LDH NSAs/CC的基础上进一步进行水热硒化处理，可制备出具有良好催化产氢性能的Fe-Ni0.85Se NSAs/CC催化剂。同时，NiFe LDH NSAs/CC与Fe-Ni0.85Se NSAs/CC所组装的全反应电解装置表现出良好的电催化分解水的性能。碳布上生长的NiFe基催化产氢产氧电极具有良好的催化活性和稳定性
附图说明
图1为本发明碳布基底上制备NiFe LDH及其催化水氧化和水还原的过程示意图；
图2为不同放大倍数下空白CC与NiFe LDH NSAs/CC的SEM图；
图3为NiFe LDH NSAs/CC中Ni，Fe和O的EDX元素映射图像；
图4为NiFe LDH NSAs/CC的SEM-EDX图像；
图5为Ni(OH)2/CC与FeOOH/CC的SEM图；
图6为空白CC，NiFe LDH NSAs/CC，Ni(OH)2/CC和FeOOH/CC的XRD图；
图7为制得的NiFe LDH NSAs/CC与Ni(OH)2/CC和FeOOH/CC的元素组成和价态图；
图8为NiFe LDH NSAs/CC，Ni(OH)2/CC，FeOOH/CC以及空白CC的水氧化测试结果图；
图9为NiFe LDH NSAs/CC、Ni(OH)2/CC、FeOOH/CC和空白CC在1M KOH溶液中不同扫速的CV曲线，扫描速度为10–45mV/s；
图10为四种催化电极在1M KOH溶液中的ECSA图和EIS图(η＝270mV)；
图11为NiFe LDH NSAs/CC的稳定性测试结果图和LSV测试结果图；
图12为NiFe LDH NSAs/CC经过10h电解后不同放大倍数下的SEM图；
图13为Fe-Ni0.85Se NSAs/CC电极材料的SEM图；
图14为Fe-Ni0.85Se NSAs/CC电极材料的EDX图；
图15为Fe-Ni0.85Se NSAs/CC电极材料的EDX元素映射图；
图16为Fe-Ni0.85Se NSAs/CC电极材料的XRD图；
图17为Fe-Ni0.85Se NSAs/CC电极材料的XPS谱图；
图18为Ni0.85Se/CC和FeSe/CC的SEM图；
图19为Fe-Ni0.85Se NSAs/CC，Ni0.85Se/CC，FeSe/CC以及空白CC在1M KOH溶液中LSV曲线和Tafel曲线；
图20为Fe-Ni0.85Se NSAs/CC在1M KOH溶液中的CPE曲线(η＝140mV)以及电解前后的LSV曲线(扫速2mV/s)；
图21为NiFe LDH NSAs/CC-Fe-Ni0.85Se NSAs/CC电极在1M KOH溶液中的LSV曲线和CPE曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明中，采用电化学工作站CHI 660E对所制催化电极进行线性扫描伏安(LSV)、循环伏安(CV)和恒电位电解(CPE)测试。采用三电极体系，所制催化剂为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片为对电极。测试前，催化电极用去离子水冲洗多次，以除去表面杂质。本实验的电化学测试以1M KOH溶液(pH＝13.6)为电解液。所有测试电势都是相对于可逆氢电极(RHE)的电势(ERHE＝ESCE+0.059pH+0.244V)，均经过iR补偿。除非特别说明，本实验所用的水均为去离子水(18MΩ·cm)，实验均在20±2℃的室温条件下进行。
在工作电极表面进行LSV测试，扫速为0.1mV/s，得到Tafel曲线。Tafel曲线的iR补偿的内阻R在LSV测试之前测得。Tafel斜率通过对LSV曲线Tafel区域的点进行线性拟合获得。
区域电化学活性面积(ECSA)通过计算催化剂表面的双电层电容(CDL)得到。即在没有明显的法拉第电流产生的电压范围内扫CV，通过不同扫描速率(v)的CV得到充电电流密度(ic)。每次进行下一个扫速的CV之前，工作电极先停10s。其中，ic，v和CDL三者之间的关系如式1所示，ECSA与CDL成正比，可以从ic-v曲线的斜率计算得到。Cs是样品在相同的电解质溶液中光滑表面每单位面积材料的比电容。
ic＝v CDL，ECSA＝CDL/Cs。(式1)以下实施例中，各原料的具体来源如下表1所示。
表1
以下各实施例中，如无特别说明，则表明所采用的原料或处理工艺均为本领域常规市售产品或常规技术。
实施例1
产氧催化电极NiFe LDH NSAs/CC的制备：
将一片2×3cm2的碳布经过超声酸洗，醇洗和水洗各15min，以除去表面污染物，增加亲水性。之后，将处理过的CC置于含有Fe(NO3)3·9H2O(0.5mmol)，Ni(NO3)2·6H2O(1.5mmol)，CO(NH2)2(10mmol)，NH4F(5mmol)以及H2O(35mL)的50mL反应釜中，将其置于120℃烘箱中反应8h，自然冷却至室温后，可看到碳布表面生长有一层黄绿色薄膜，证明NiFeLDH NSAs/CC已制备完成。将制得的NiFe LDH/CC用乙醇和去离子水反复冲洗数次，于60℃下烘干。
对比例1
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了使用Fe(NO3)3·9H2O或Ni(NO3)2·6H2O作为唯一金属离子来源，其余均一样，分别得到对比催化电极FeOOH/CC(红褐色)和Ni(OH)2/CC(淡蓝色)。
参见图2所示，通过扫描电子显微镜(SEM)表征实施例1合成的催化材料电极的表面形貌和微观结构，如图2A所示，对于预处理的碳布基底，许多平行排列的碳纤维束交叉在一起，这些碳纤维之间具有不规则的微米级孔，形成高度多孔的3D网络结构。SEM图像表明，这些碳纳米纤维的平均直径约为10μm，表面光滑(图2B)。水热处理后，碳纤维的整个表面充满由许多纳米片组成的致密层(图2C)，这表明碳布是一种理想的制备NiFe LDH的基底。从放大的SEM图像中，注意到超薄的纳米片均匀地生长在碳纤维的主干上，其中纳米片的横向尺寸大约为20nm(图2D)。值得注意的是，这些NiFe LDH纳米片交织在一起，构建了一个三维分层多孔结构，使得NiFe LDH NSAs/CC电极具有极大的比表面积和开放空间，为电催化水氧化提供了大量的活性位点。
图4中的能量色散X射线(EDX)谱表明生成产物中Ni，Fe，C以及O元素共存，其中Ni，Fe和O归因于NiFe LDH，C源于CC，且Ni：Fe的近似原子比为3:1，与进料Ni(NO3)2·6H2O/Fe(NO3)3·9H2O摩尔比一致。此外，未观察到任何其它元素，证明NiFe LDH NSAs/CC复合材料的纯度极高。图3中的EDX元素映射图进一步揭示了碳纤维中各元素的空间分布，Ni，Fe和O元素均匀分布在碳纳米纤维上，没有任何明显的分离，符合Ni，Fe和O元素的预期分布，这表明NiFe LDH纳米片阵列成功地生长在CC基底上。
对比例1中，当使用Ni(NO3)2·6H2O作为单一金属离子来源时，CC骨架上也会出现类似的片状形态(证明为Ni(OH)2/CC)，参见图5中A图和B图所示。而单独使用Fe(NO3)3·9H2O为金属来源时，生成的FeOOH/CC复合物完全不同于Ni(OH)2/CC或NiFe LDH NSAs/CC的纳米片状结构，显示出了不规则和无序的聚集形态，参见图5中C图和D图所示。
通过X射线衍射(XRD)对实施例1中制得的样品进行晶相分析，如图6中A图所示，空白CC于25.3°和43.5°处的两个峰值，对比pdf卡片(JCPDS：75-621)，分别对应于(002)和(101)晶面。水热处理为NiFe LDH NSAs/CC后，几个新的峰分别出现在11.4°，23.2°，33.6°，34.3°，38.8°，46.4°，59.8°和61.2°处，分别对应于Ni0.75Fe0.25(CO3)0.125(OH)2·0.38H2O相的衍射(003)，(006)，(101)，(012)，(015)，(018)，(110)和(113)平面(JCPDS：40-0215)，证明了所得复合材料中C和NiFe LDH共存。此外，并未观察到镍或铁氧化物的其他衍射峰，表明所得产物纯度高。这是因为Ni(OH)2晶格中的Ni2+可以部分地被Fe3+取代，形成稳定的NiFeLDH结构，所以不会引起晶体结构的改变。同时，通过在中间层中插入阴离子CO3 2-，可以平衡Fe3+引起的过量阳离子电荷。此外，图6中B图和C图为在没有Fe(NO3)3·9H2O或Ni(NO3)2·6H2O加入的情况下所得产物的XRD图，证实了Ni(OH)2/CC和FeOOH/CC复合材料的成功制备。
通过X射线光电子能谱(XPS)进一步研究实施例1所制样品的元素组成和价态，如图7所示。从NiFe LDH NSAs/CC(图7A)的谱图来看，855.7，712.5，529.5和285.1eV的四个强峰分别归因于Ni 2p、Fe 2p、O 1s和C 1s。对于Ni 2p光谱(图7B)，874.1和856.3eV处的强峰分别对应于Ni 2p1/2和Ni 2p3/2，而在862.2和880.1eV附近处也可观察到卫星峰，表明存在Ni2+。同样，Fe 2p的谱图显示，在712.7和725.5eV处出现两个明显的峰，分别与Fe 2p3/2和Fe2p1/2相关(图7C)，同时718.7和732.7eV处出现卫星峰，表明NiFe LDH中存在Fe3+。图7D为NiFe LDH NSAs/CC的C 1s轨道的XPS高分辨光谱图。C 1s光谱可分为与O-C＝O(289.1eV)、C-O(286.2eV)、C-OH(285.4eV)和C-C(284.7eV)有关的四个峰，其中O-C＝O的存在可能与NiFe LDH中插层的CO3 2-有关。以上均证明在CC表面成功制备出NiFe LDH NSAs。同时，通过图7A-C光谱图中不同曲线的对比，可明显看出，控制单一金属离子来源，产物中组成元素成分按预期发生明显改变，且均具有很高的纯度。
对上述实施例1和对比例1所制备的NiFe LDH NSAs/CC，Ni(OH)2/CC，FeOOH/CC以及空白CC进行了水氧化测试，从LSV曲线(图8A)可以看出，这四种材料均具有一定的催化水氧化效果，其中NiFe LDH NSAs/CC起始过电势为240mV，电流密度达到100mA/cm2时，过电势为260mV，产氧活性最好。同时，通过稳态极化曲线测定ITO电极表面薄膜的动力学参数，将慢扫速0.1mV/s条件下测得的LSV曲线转换成塔菲尔(Tafel)极化曲线，通过拟合，得到相关物质的Tafel斜率，斜率越小，则证明在整个转化过程中动力学平衡越好，则催化效果越好。如图8B，从Tafel曲线中得出四种材料NiFe LDH NSAs/CC，Ni(OH)2/CC，FeOOH/CC和空白CC的Tafel斜率分别为39，150，171和234mV/dec，其中NiFe LDH NSAs/CC具有最小Tafel斜率。综上，NiFe LDH NSAs/CC在四种电极材料中电催化水氧化性能最佳。
在本发明所构建的电极材料体系中，高催化性能部分归因于3D基底电极材料提高了电化学活性面积(ECSA)，降低了电化学阻抗(EIS)，此外在CC基底上生长的交织纳米片阵列结构又增加了1D，提供了电子传递的通道，增强了结构的稳定性。ECSA是在没有明显的法拉第电流产生的电压范围内扫CV(如图9A-D)，通过双电层电容计算得到。如图10A和图10B，NiFe LDH NSAs/CC在同等条件下具有最高ECSA，同时具有最小EIS，所以NiFe LDH NSAs/CC催化效果最佳。
又针对NiFe LDH NSAs/CC进行了稳定性测试。如图11A，将该电极在1.55V(η＝320mV)下电解10h，发现电极表面产生大量气泡，表现出很大的电流密度，并稳定在260mA/cm2左右。电解完成后，对其进行LSV测试(如图11B)，发现其产氧性能未发生明显降低。将电解后的电极进行SEM表征(如图12)，发现经过10h电解后，NiFe LDH NSAs/CC的结构仍然保持稳定，纳米片并没有剥落，且没有被破坏，所以电解后的催化材料依然可以保持很好的催化活性。
实施例2
参见图1，将0.059mg硒粉加入到溶有0.065mg NaBH4的1.5mL去离子水中，并持续通入氩气，直至溶液呈现澄清状态，则表明形成NaHSe溶液。所制得的澄清溶液倒入已排尽空气的30mL乙醇中，迅速转移至50mL Tafel内胆中，并将实施例1制得的NiFe LDH NSAs/CC置于其中。之后，将装好的不锈钢高压釜于140℃烘箱中反应10h，然后自然冷却至室温。制得的Fe-Ni0.85Se NSAs/CC用乙醇和去离子水反复冲洗数次，于60℃下烘干。
对比例2
保持实施例2中的其它条件不变，使用FeOOH/CC或Ni(OH)2/CC作为前驱体，可得到对比催化产氢电极FeSe/CC和Ni0.85Se/CC。
实施例2中，NiFe LDH NSAs/CC通过水热法进行硒化处理，得到Fe-Ni0.85Se NSAs/CC电极材料，宏观上，由黄绿色的前驱体转变为黑色的产物。通过SEM观察产物的微观形貌，如图13，可以发现硒化后CC表面被一层垂直交联且致密均匀的纳米片阵列所覆盖，同时纳米片表面严重粗糙化。图14的EDX图显示，产物中含有Ni，Fe，Se以及C四种元素，且原子比Ni:Fe＝3:1。EDX元素映射图(图15)则表明各种元素均匀分布。XRD图谱(图16)中33.2°，44.9°，50.5°，60.2°，61.8°以及71.4°处的峰，分别对应于Ni0.85Se相的(101)，(102)，(110)，(103)，(201)和(004)平面(JCPSD：18-0888)。这些表征均证实了在CC基底上形成了Fe掺杂的Ni0.85Se纳米片阵列(Fe-Ni0.85Se NSAs/CC)。此外，从XPS谱图(图17，其中，A图为XPS总谱图，B图、C图和D图分别为Ni 2p、Fe 2p和Se 3d轨道的XPS细节图)看，电子束缚能为53.9和54.9eV处的峰分别为Se 3d5/2和Se 3d3/2，58.7eV处的峰为Se的氧化物。
对比例2中，将Ni(OH)2/CC和FeOOH/CC分别作为前驱体以同种方式水热处理得到Ni0.85Se/CC和FeSe/CC，可看到其表面均被粗糙化，证明硒化成功，如图18。
图19A是分别以Fe-Ni0.85Se NSAs/CC，Ni0.85Se/CC，FeSe/CC以及空白CC作为工作电极，得到的LSV曲线，从图中可以看出，Fe-Ni0.85Se NSAs/CC催化效果最好，起始过电势仅为75mV。同时通过0.1mV/s扫速慢扫LSV，得到Tafel曲线(图19B)，拟合后看出Fe-Ni0.85SeNSAs/CC的Tafel斜率最小，为72mV/dec。以上表明四种电极材料中Fe-Ni0.85Se NSAs/CC的电催化水还原性能最佳。将Fe-Ni0.85Se NSAs/CC在η为140mV的条件下进行CPE测试，如图20A，前1.5h电流密度持续增加，最后电流密度达到～80mA/cm2，并能持续至少10h。电解完成后，对Fe-Ni0.85Se NSAs/CC再次进行LSV测试，如图20B，其催化性能保持良好。以上均可证明，Fe-Ni0.85Se NSAs/CC在强碱性条件下，表现出良好的催化水还原活性。
用NiFe LDH NSAs/CC作正极，Fe-Ni0.85Se NSAs/CC作负极，将NiFe LDH NSAs/CC与Fe-Ni0.85Se NSAs/CC组装成两电极全反应电解装置来测试电催化水分解的性能。如图21A，LSV曲线表明在1M KOH的电解液中，相较于Bare CC-Bare CC电极，NiFe LDH NSAs/CC-Fe-Ni0.85Se NSAs/CC电极催化水分解效果显著提高。在1.65V电压下进行CPE测试(图21B)，NiFe LDH NSAs/CC-Fe-Ni0.85Se NSAs/CC电极亦表现出很大的催化电流密度和稳定性。
综上所述，本发明通过以高导电材料碳布作为基底，通过简单的水热法处理得到交织的纳米片阵列结构NiFe LDH NSAs/CC，以此作为催化产氧电极。碳布的高导电性，镍铁的协同作用以及交错的网络结构大大增加了催化电极的活性面积，相较于以前的二维材料以及本发明中另外两种单独的镍基、铁基材料，其产氧活性极大提高，且性能十分稳定，同时交织的纳米片结构在长时间电解后依然可以保持原貌。在NiFe LDH NSAs/CC的基础上进一步进行水热硒化处理，可制备出具有良好催化产氢性能的Fe-Ni0.85Se NSAs/CC催化剂。同时，NiFe LDH NSAs/CC与Fe-Ni0.85Se NSAs/CC所组装的全反应电解装置表现出良好的电催化分解水的性能。碳布上生长的NiFe基催化产氢产氧电极具有良好的催化活性和稳定性，进一步启发可以使用廉价金属，构筑稳定的多级水氧化催化电极，增加催化剂的电化学活性面积，从而提高催化水氧化的性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列的制备方法，其特征在于，取碳布清洗后，置于含Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、CO(NH2)2、NH4F和水的反应容器中，加热反应，冷却，清洗烘干，即得到目的产物。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列的制备方法，其特征在于，Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、CO(NH2)2、NH4F和水的添加量比为0.5mmol：1.5mmol：10mmol：5mmol：35mL。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列的制备方法，其特征在于，加热反应的条件为：在120℃下反应8h。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列的制备方法，其特征在于，清洗为采用乙醇和去离子水反复冲洗数次，烘干的温度为60℃。
5.一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列，采用如权利要求1-4任一所述的制备方法制备得到。
6.一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列在电催化水分解方面的应用，其特征在于，以如权利要求4所述的基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列作为产氧催化电极，采用所述镍铁基纳米片阵列硒化处理后得到的Ni0.85Se纳米片阵列作为产氢催化电极，即组成两电极全反应电解装置，实现对水电催化分解处理。
7.根据权利要求6所述的基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列的应用，其特征在于，镍铁基纳米片阵列硒化处理制得Ni0.85Se纳米片阵列的过程具体如下：
(1)：取硒粉加入到溶有NaBH4的去离子水中，持续通入惰性气体，直至溶液呈现澄清状态，形成NaHSe溶液；
(2)：再将步骤(1)制得的NaHSe溶液倒入排尽空气的乙醇中，再加入所述镍铁基纳米片阵列，加热反应，冷却，清洗，烘干，即得到目的产物。
8.根据权利要求7所述的基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列的应用，其特征在于，硒粉、NaBH4、去离子水和乙醇的添加量比为0.059mg：0.065mg：1.5mL：30mL。
9.根据权利要求7所述的基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列的应用，其特征在于，步骤(2)中，加热反应的工艺条件为：在140℃下反应10h。
10.根据权利要求7所述的基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列的应用，其特征在于，清洗为用乙醇和去离子水反复冲洗数次，烘干的温度为60℃。
CN201910075050.9A 2019-01-25 2019-01-25 一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用 Active CN109811365B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910075050.9A CN109811365B (zh) 2019-01-25 2019-01-25 一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910075050.9A CN109811365B (zh) 2019-01-25 2019-01-25 一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109811365A true CN109811365A (zh) 2019-05-28
CN109811365B CN109811365B (zh) 2020-07-07

Family

ID=66605257

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910075050.9A Active CN109811365B (zh) 2019-01-25 2019-01-25 一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109811365B (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110465312A (zh) * 2019-05-30 2019-11-19 华南理工大学 一种自支撑碳布负载硒化钴镍纳米线制备方法与应用
CN110841645A (zh) * 2019-10-18 2020-02-28 南京清飏科技有限公司 一种分级纳米结构铁掺杂氧化镍阳极电解水析氧催化剂合成法
CN111604061A (zh) * 2020-05-11 2020-09-01 同济大学 一种毛虫状镍钴硫化物纳米阵列及其合成与应用
CN111889117A (zh) * 2020-08-08 2020-11-06 青岛科技大学 核壳状硒化铜@镍铁类水滑石电催化剂及其制备方法和电解水应用
CN112458483A (zh) * 2020-12-10 2021-03-09 吉林大学 一种NiFe LDH@Super-P复合电催化材料的制备方法
CN112495411A (zh) * 2020-09-09 2021-03-16 同济大学 一种氮化碳纳米片负载钒酸铟量子点光催化剂及其制备和应用
CN113373476A (zh) * 2021-06-07 2021-09-10 山东大学深圳研究院 一种磷掺杂的单金属元素电子结构可调的双金属硒化物电催化剂材料及其制备方法与应用
CN114016073A (zh) * 2021-10-25 2022-02-08 吉林师范大学 一种Fe掺杂Ni0.85Se纳米片阵列电催化剂的制备方法
CN114759197A (zh) * 2022-06-16 2022-07-15 成都大学 一种燃料电池电极及其制备方法和应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011085731A1 (en) * 2010-01-14 2011-07-21 Danmarks Tekniske Universitet Materials for photoelectrocatalytic hydrogen production
CN104923268A (zh) * 2015-06-08 2015-09-23 中国科学院长春应用化学研究所 一种自支撑过渡金属硒化物催化剂及其制备方法和应用
CN105597792A (zh) * 2016-03-03 2016-05-25 武汉理工大学 介孔纳米片结构硒化镍铁材料及其制备方法和应用
CN107587161A (zh) * 2017-08-11 2018-01-16 济南大学 一种棒状NiFeSe/C电解水催化剂的制备方法
CN108823591A (zh) * 2018-06-21 2018-11-16 肇庆市华师大光电产业研究院 一种镍铁联硒化合物及其制备方法和应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011085731A1 (en) * 2010-01-14 2011-07-21 Danmarks Tekniske Universitet Materials for photoelectrocatalytic hydrogen production
CN104923268A (zh) * 2015-06-08 2015-09-23 中国科学院长春应用化学研究所 一种自支撑过渡金属硒化物催化剂及其制备方法和应用
CN105597792A (zh) * 2016-03-03 2016-05-25 武汉理工大学 介孔纳米片结构硒化镍铁材料及其制备方法和应用
CN107587161A (zh) * 2017-08-11 2018-01-16 济南大学 一种棒状NiFeSe/C电解水催化剂的制备方法
CN108823591A (zh) * 2018-06-21 2018-11-16 肇庆市华师大光电产业研究院 一种镍铁联硒化合物及其制备方法和应用

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110465312A (zh) * 2019-05-30 2019-11-19 华南理工大学 一种自支撑碳布负载硒化钴镍纳米线制备方法与应用
CN110841645B (zh) * 2019-10-18 2022-05-10 南京清飏科技有限公司 一种分级纳米结构铁掺杂氧化镍阳极电解水析氧催化剂合成法
CN110841645A (zh) * 2019-10-18 2020-02-28 南京清飏科技有限公司 一种分级纳米结构铁掺杂氧化镍阳极电解水析氧催化剂合成法
CN111604061A (zh) * 2020-05-11 2020-09-01 同济大学 一种毛虫状镍钴硫化物纳米阵列及其合成与应用
CN111889117A (zh) * 2020-08-08 2020-11-06 青岛科技大学 核壳状硒化铜@镍铁类水滑石电催化剂及其制备方法和电解水应用
CN111889117B (zh) * 2020-08-08 2022-06-28 青岛科技大学 核壳状硒化铜@镍铁类水滑石电催化剂及其制备方法和电解水应用
CN112495411A (zh) * 2020-09-09 2021-03-16 同济大学 一种氮化碳纳米片负载钒酸铟量子点光催化剂及其制备和应用
CN112495411B (zh) * 2020-09-09 2022-08-05 同济大学 一种氮化碳纳米片负载钒酸铟量子点光催化剂及其制备和应用
CN112458483B (zh) * 2020-12-10 2022-01-07 吉林大学 一种NiFe LDH@Super-P复合电催化材料的制备方法
CN112458483A (zh) * 2020-12-10 2021-03-09 吉林大学 一种NiFe LDH@Super-P复合电催化材料的制备方法
CN113373476A (zh) * 2021-06-07 2021-09-10 山东大学深圳研究院 一种磷掺杂的单金属元素电子结构可调的双金属硒化物电催化剂材料及其制备方法与应用
CN114016073A (zh) * 2021-10-25 2022-02-08 吉林师范大学 一种Fe掺杂Ni0.85Se纳米片阵列电催化剂的制备方法
CN114016073B (zh) * 2021-10-25 2023-12-19 吉林师范大学 一种Fe掺杂Ni0.85Se纳米片阵列电催化剂的制备方法
CN114759197A (zh) * 2022-06-16 2022-07-15 成都大学 一种燃料电池电极及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN109811365B (zh) 2020-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109811365A (zh) 一种基于碳布生长的镍铁基纳米片阵列及其制备和应用
Su et al. High-valent bimetal Ni3S2/Co3S4 induced by Cu doping for bifunctional electrocatalytic water splitting
Shi et al. Nitrogen-doped carbon-decorated yolk-shell CoP@ FeCoP micro-polyhedra derived from MOF for efficient overall water splitting
Dong et al. In-situ formation of unsaturated defect sites on converted CoNi alloy/Co-Ni LDH to activate MoS2 nanosheets for pH-universal hydrogen evolution reaction
Qi et al. Cu2Se nanowires shelled with NiFe layered double hydroxide nanosheets for overall water-splitting
Hyun et al. Hierarchical nickel–cobalt dichalcogenide nanostructure as an efficient electrocatalyst for oxygen evolution reaction and a Zn–Air battery
Zhang et al. Hydrolysis assisted in-situ growth of 3D hierarchical FeS/NiS/nickel foam electrode for overall water splitting
Shen et al. Holey MXene nanosheets intimately coupled with ultrathin Ni–Fe layered double hydroxides for boosted hydrogen and oxygen evolution reactions
Mai et al. Coaxial Ni3S2@ CoMoS4/NiFeOOH nanorods for energy-saving water splitting and urea electrolysis
CN109261177B (zh) 纳米尺度磷化镍/碳布复合材料及其制备方法和在电催化剂中的应用
Chen et al. Improving the photoelectrochemical catalytic ability of bismuth vanadate electrodes by depositing efficient Co-catalysts
CN112156788B (zh) 一种四元Ni-Fe-W-Mo合金高效析氧电催化剂及其制备方法和应用
Xiao et al. Mo-doped cobalt hydroxide nanosheets coupled with cobalt phosphide nanoarrays as bifunctional catalyst for efficient and high-stability overall water splitting
Jayabalan et al. NiCo2O4-graphene nanocomposites in sugar industry wastewater fed microbial electrolysis cell for enhanced biohydrogen production
Zhang et al. Ni@ RuM (M= Ni or Co) core@ shell nanocrystals with high mass activity for overall water-splitting catalysis
Meng et al. Rational construction of uniform CoS/NiFe2O4 heterostructure as efficient bifunctional electrocatalysts for hydrogen evolution and oxygen evolution reactions
Xue et al. Spatially-controlled NiCo2O4@ MnO2 core–shell nanoarray with hollow NiCo2O4 cores and MnO2 flake shells: an efficient catalyst for oxygen evolution reaction
Ma et al. In situ construction and post-electrolysis structural study of porous Ni 2 P@ C nanosheet arrays for efficient water splitting
Zahran et al. Nickel sulfate as an influential precursor of amorphous high-valent Ni (III) oxides for efficient water oxidation in preparation via a mixed metal-imidazole casting method
Yang et al. Cobalt nanorods decorated titanium oxide arrays as efficient and stable electrocatalyst for oxygen evolution reaction
Bao et al. Solution plasma-assisted synthesis of oxyhydroxides for advanced electrocatalytic water splitting
Gu et al. Electronic regulation and core-shell hybrids engineering of palm-leaf-like NiFe/Co (PO3) 2 bifunctional electrocatalyst for efficient overall water splitting
Peng et al. Boosting the electrochemical CO2 reduction performance by Cu2O/β-Bi2O3 bimetallic heterojunction with the assistance of light
Zhang et al. Layered double hydroxides as a robust catalyst for water oxidation through strong substrate-catalytic layer interaction
Li et al. One-step electrodeposition of composition-controllable dendritic NiFe alloy electrocatalysts for oxygen evolution reaction

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant