CN113089013B - NiSeP/NF复合电极材料及其制备方法与应用 - Google Patents

NiSeP/NF复合电极材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开NiSeP/NF复合电极材料及其制备方法与应用，包括：泡沫镍基材的处理；Ni2P/NF复合电极材料的制备：将NaH2PO2水溶液超声处理，转移至反应釜中，将经泡沫镍条也放入反应釜中，经水热反应，得到Ni2P/NF复合电极材料；NiSeP/NF复合电极材料的制备：配制含硒、镍元素的混合液；将得到的含硒、镍元素的混合液转移至反应釜中，再放入Ni2P/NF复合电极材料，进行溶剂热反应，得到NiSeP/NF复合电极材料。本发明NiSeP/NF复合电极材料及其制备方法与应用，制得的NiSeP/NF复合电极材料的价格低廉、析氢过电位低、析氢催化活性高，电极材料制备方法简便、易于操作。

Description

NiSeP/NF复合电极材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于电催化析氢技术领域，涉及NiSeP/NF复合电极材料及其制备方法与应用。
背景技术
电解水制氢是大规模产氢的重要方法，电解水制氢过程由阳极的析氧反应和阴极的析氢反应组成，其中，阴极的析氢反应是电解水制氢的重要过程。阴极电极的析氢过电位是影响阴极析氢反应的重要因素：析氢过电位越低，阴极制氢反应的阻力越小，电解水制氢的反应效率越高。早期阴极电极材料的主要来源于Pt、Pd等贵金属，但因其价格昂贵，无法大量投入生产。因此，研究廉价并且具备低析氢过电位、高催化活性的阴极电极材料具有重要意义。
近年来，常通过提高电催化析氢活性面积来实现降低析氢电极过电位的目的，如制备多孔电极、复合电极等新型阴极电极材料。现有研究表明：过渡金属镍的析氢活性高，价格低廉，且在碱性环境中具有突出的耐腐蚀性，因而大量的镍基材料被作为析氢电极材料应用于HER(析氢反应)中，如NiW、Ni-Co-Zn、Ni-Mo-Fe-Zn等镍基电极材料，均展现了优良的析氢活性。因此，镍基材料具有巨大的发展潜力成为更符合实际需要的阴极电极材料。
综合上述，针对现有技术的现状和存在的问题，提供一种低析氢过电位、高析氢催化活性、价格低廉的镍基阴极电极材料，对于电解水制氢技术领域的技术发展有重要意义。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供NiSeP/NF复合电极材料及其制备方法与应用，制得的NiSeP/NF复合电极材料的价格低廉、析氢过电位低、析氢催化活性高，电极材料制备方法简便、易于操作，解决了现有技术中存在的阴极电极材料成本高昂、析氢催化活性低的问题。
本发明所采用的技术方案是，NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、泡沫镍基材的处理；
S2、Ni2P/NF复合电极材料的制备：
S21、以NaH2PO2·H2O为原料配制浓度为2mol·L-1～5mol·L-1的NaH2PO2水溶液；
S22、将得到的NaH2PO2水溶液超声处理，然后再转移至反应釜中，将经S1处理得到的泡沫镍条也放入反应釜中，浸渍于超声后的NaH2PO2水溶液中，然后密封反应釜，在120℃～140℃的温度条件下进行水热反应12h～14h，反应完成后，打开反应釜釜体，取出反应后的泡沫镍条，将反应后的泡沫镍条经洗涤、干燥后，即得到Ni2P/NF复合电极材料；
S3、NiSeP/NF复合电极材料的制备：
S31、以摩尔比为3～6:1的比例称取Se和NiSO4·6H2O，作为溶质，以水合肼或体积比为0.5～3：1的水合肼和超纯水的混合液为溶剂，以NiSO4·6H2O浓度为0.133mol/L为基准，配制含硒、镍元素的混合液；
S32、将得到的含硒、镍元素的混合液超声处理，然后再转移至反应釜中，将S22得到的Ni2P/NF复合电极材料也放入反应釜中，浸渍于超声后的含硒、镍元素的混合液中，然后密封反应釜，在120℃～180℃的温度条件下进行溶剂热反应16h～24h，反应完成后，打开反应釜釜体，取出反应后的复合电极材料，将反应后的复合电极材料经洗涤、干燥后，即得到NiSeP/NF复合电极材料。
进一步地，S1中，泡沫镍基材的处理，具体为：将纯度为99.9％、厚度为0.5mm的金属泡沫镍裁剪成规格为2.0cm×0.5cm的泡沫镍条，然后将裁剪好的泡沫镍条依次在浓度为5mol/L的盐酸溶液和95％的乙醇溶液中超声浸泡15min，除去泡沫镍条表面的氧化物及表层油污，再用去离子水清洗三次后储于无水乙醇中备用。
进一步地，S22中，得到的NaH2PO2水溶液超声处理的时间为10min～30min。
进一步地，S22中，反应釜的填充度为80％。
进一步地，S22中，将反应后的泡沫镍条经洗涤、干燥，具体为：将反应后的泡沫镍条分别用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，然后再在60℃的温度条件下进行干燥4h。
进一步地，S32中，得到的含硒、镍元素的混合液超声处理的时间为10min。
进一步地，S32中，反应釜的填充度为60％。
进一步地，S32中，将反应后的复合电极材料经洗涤、干燥，具体为：将反应后的复合电极材料分别用去离子水和无水乙醇洗涤3次，然后再在60℃的温度条件下进行干燥4h。
本发明的另一发明目的，在于提供一种NiSeP/NF复合电极材料，根据上述任一制备方法制备而成。
本发明的再一发明目的，在于提供一种上述NiSeP/NF复合电极材料在电催化析氢领域的应用。
本发明的有益效果是：本发明制备得到的NiSeP/NF复合电极材料的电催化活性、催化动力性能、稳定性相较于空白泡沫镍电极材料有大幅提升；且析氢过电位较空白泡沫镍电极材料显著降低，且制备方法简单、易于施行，为新型阴极电极材料的开发提供了新的思路，也为其在电催化制氢领域的应用奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明不同硒镍摩尔比下制备得到的NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌测试图，其中，图1中a的硒镍摩尔比为3:1；b的硒镍摩尔比为4:1；c的硒镍摩尔比为5:1；d的硒镍摩尔比为6:1。
图2是本发明不同溶剂热反应温度下制备得到的NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌测试图，其中，图2中a的溶剂热反应温度为120℃；b的溶剂热反应温度为140℃；c的溶剂热反应温度为160℃；d的溶剂热反应温度为180℃。
图3是本发明溶剂中水合肼与水的不同配比下制备得到的NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌测试图，其中，图3中a的水合肼与水的体积比为1:0；b的水合肼与水的体积比为3:1；c的水合肼与水的体积比为2:1；d的水合肼与水的体积比为1:1；e的水合肼与水的体积比为1:2。
图4是本发明制备的Ni2P/NF复合电极材料和NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌测试图，其中图4中a是4万倍镜下的Ni2P/NF复合电极材料的微观形貌测试图，b是8万倍镜下的NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌测试图。
图5是本发明制备的NiSeP/NF复合电极材料中各元素含量的EDX测试结果。
图6是本发明制备的NiSeP/NF复合电极材料中各元素含量的面扫分布图，图6中a为样品的选区微观形貌图；b为样品的磷、硒、镍元素在电极上的整体分布图；c为样品的镍元素在电极上的分布图；d为样品的硒元素在电极上的分布图；e为样品的磷元素在电极上的分布图。
图7是本发明制备的NiSeP/NF复合电极材料的XRD测试结果。
图8是本发明制备的NiSeP/NF复合电极材料与空白泡沫镍、Ni2P/NF和NiSe2/NF的析氢极化曲线对比图。
图9是本发明制备的NiSeP/NF复合电极材料与空白泡沫镍的电化学活性表面积对比结果，其中图9中a为NiSeP/NF复合电极材料的活性面积图；b为NiSeP/NF复合电极材料的活性面积计算结果；c为空白泡沫镍的活性面积图；d为空白泡沫镍的活性面积计算结果。
图10是本发明制备的NiSeP/NF复合电极材料与空白泡沫镍的交流阻抗谱图。
图11是本发明制备的NiSeP/NF复合电极材料的稳定性测试曲线，其中图11中a为制备的NiSeP/NF复合电极材料在1mol·L-1KOH电解液中的多电流阶跃曲线；b为制备的NiSeP/NF复合电极材料在10mA/cm2和100mA/cm2的计时电位曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、泡沫镍基材的处理：
将纯度为99.9％、厚度为0.5mm的金属泡沫镍(NF)裁剪成规格为2.0cm×0.5cm的泡沫镍条，然后将裁剪好的泡沫镍条依次在浓度为5mol/L的盐酸溶液和95％的乙醇溶液中超声浸泡15min，除去泡沫镍条表面的氧化物及表层油污，再用去离子水清洗三次后储于无水乙醇中备用(封闭在广口瓶中以免时间过长乙醇挥发)；每次使用时自广口瓶中取出并自然干燥，留待备用。
S2、Ni2P/NF复合电极材料的制备：
S21、以NaH2PO2·H2O为原料配制浓度为2mol·L-1～5mol·L-1的NaH2PO2水溶液；
S22、将得到的NaH2PO2水溶液超声处理10min～30min，然后再转移至反应釜中，填充度为80％，将经S1处理得到的泡沫镍条也放入反应釜中，浸渍于超声后的NaH2PO2水溶液中，然后密封反应釜，在120℃～140℃的温度条件下进行水热反应12h～14h，反应完成后，打开反应釜釜体，取出反应后的泡沫镍条，将反应后的泡沫镍条分别用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，然后再在60℃的温度条件下进行干燥4h，即得到Ni2P/NF复合电极材料。
其中去离子水和无水乙醇的洗涤次数对反应后的泡沫镍条的产品性质影响不大，达到清洗干净的程度即可，3次为优选次数，单纯增加或减少洗涤次数对S2的有益影响有限，若仅简单增加或减少洗涤时间，仍视为在本发明的精神和原则之内所作的简单修改，仍包含在本发明的保护范围内。
其中干燥的温度和时间对反应后的泡沫镍条的产品性质影响不大，达到干燥洗涤后的泡沫镍条的效果即可，60℃的温度条件下进行干燥4h为优选次数，单纯提高或降低干燥温度，单纯增加或减少干燥时间对S2的有益影响有限，若仅简单提高或降低干燥温度，若仅简单增加或减少干燥时间，仍视为在本发明的精神和原则之内所作的简单修改，仍包含在本发明的保护范围内。
S2制备的Ni2P/NF复合电极材料中P原子进入镍的晶格中，其特殊的电负性改变邻近镍原子的电子结合状态，带来新的结构优势，还可以改善镍基材料的本征析氢活性，优化活性氢原子的吸脱附平衡，从本质上提高催化活性。
Ni2P/NF复合电极材料表面的Ni2P物相呈现交织互联的纳米片状结构，虽然提供一定量的电催化活性位点，表现一定的催化活性，但其提供的活性位点数量有限，本征析氢活性的提升有限。
S3、NiSeP/NF复合电极材料的制备：
S31、以摩尔比为3～6:1的比例称取Se和NiSO4·6H2O，作为溶质，以水合肼或体积比为0.5～3：1的水合肼和超纯水的混合液为溶剂，以NiSO4·6H2O浓度为0.133mol/L为基准，配制含硒、镍元素的混合液；
S32、将得到的含硒、镍元素的混合液超声处理10min，然后再转移至反应釜中，填充度为60％，将S2得到的Ni2P/NF复合电极材料也放入反应釜中，浸渍于超声后的含硒、镍元素的混合液中，然后密封反应釜，在120℃～180℃的温度条件下进行溶剂热反应16h～24h，反应完成后，打开反应釜釜体，取出反应后的复合电极材料，将反应后的复合电极材料分别用去离子水和无水乙醇洗涤3次，然后再在60℃的温度条件下进行干燥4h，即得到NiSeP/NF复合电极材料。
S3采用水合肼或水合肼和超纯水的混合液为溶剂，在溶剂热反应的过程中，水合肼作为还原剂，将含硒、镍元素的混合液中的Ni2+还原为单质镍，使得单质镍与单质硒直接快速反应形成NiSe2，并影响晶体的定向生长，通过调控NiSe2的形貌及尺寸，使得在Ni2P/NF复合电极材料上获得分布均匀、尺寸更小的NiSe2纳米结构材料。
S3中直接采用单质硒为硒源，直接与水合肼还原的金属镍发生反应形成硒化物NiSe2，更容易实现NiSe2与Ni2P的复合。而若采用亚硒酸钠等含硒盐作为硒源，在水热或溶剂热反应中则需先还原为单质硒，再与金属镍化合形成硒化物，存在反应效率低的问题。
本发明制备得到的NiSeP/NF复合电极材料通过两步反应分别获得磷化物Ni2P与硒化物NiSe2组成的复合材料，P的引入除了能带来结构优势，还可以改善镍基材料的本征析氢活性，Se的引入通过创造缺陷活性位，增加边缘活性位点提高了复合电极材料的本征析氢活性，二者通过对本征析氢活性提升的叠加，协同增强NiSeP/NF复合电极材料的析氢催化活性。
本发明制备得到的NiSeP/NF复合电极材料通过Ni2P微纳结构与NiSe2微纳结构的双重叠加，尽管交织互联纳米片构成的多孔结构(Ni2P)被后续形成的八面体纳米颗粒(NiSe2)有所覆盖，但其活性面积仍得以大幅提升，极大促进了复合电极材料析氢活性的提升。
S2和S3用到的反应釜的内胆采用聚四氟乙烯，容积为25mL。S2和S3的水热反应和溶剂热反应均为将密封后的反应釜放入设置一定温度的烘箱中即可完成，也可以采用专门的水热或溶剂热反应仪，水热或溶剂热反应采用的仪器均为公知常识。
实施例1
NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、泡沫镍基材的处理：将纯度为99.9％、厚度为0.5mm的金属泡沫镍裁剪成规格为2.0cm×0.5cm的泡沫镍条，然后将裁剪好的泡沫镍条依次在浓度为5mol/L的盐酸溶液和95％的乙醇溶液中超声浸泡15min，除去泡沫镍条表面的氧化物及表层油污，再用去离子水清洗三次后储于无水乙醇中备用。
S2、Ni2P/NF复合电极材料的制备：
S21、以NaH2PO2·H2O为原料配制浓度为1.067mol·L-1的NaH2PO2水溶液；
S22、将得到的NaH2PO2水溶液超声处理10min，然后再转移至反应釜中，填充度为80％，将经S1处理得到的泡沫镍条也放入反应釜中，浸渍于超声后的NaH2PO2水溶液中，然后密封反应釜，在120℃的温度条件下进行水热反应12h，反应完成后，打开反应釜釜体，取出反应后的泡沫镍条，将反应后的泡沫镍条分别用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，然后再在60℃的温度条件下进行干燥4h，即得到Ni2P/NF复合电极材料；
S3、NiSeP/NF复合电极材料的制备：
S31、以摩尔比为4:1的比例称取Se和NiSO4·6H2O，NiSO4·6H2O的物质的量为0.002mol，作为溶质，以体积比为3：1的水合肼和超纯水的混合液为溶剂，溶剂体积为15ml，以NiSO4·6H2O浓度为0.133mol/L为基准，配制含硒、镍元素的混合液；
S32、将得到的含硒、镍元素的混合液超声处理10min，然后再转移至反应釜中，填充度为60％，将S22得到的Ni2P/NF复合电极材料也放入反应釜中，浸渍于超声后的含硒、镍元素的混合液中，然后密封反应釜，在140℃的温度条件下进行溶剂热反应20h，反应完成后，打开反应釜釜体，取出反应后的复合电极材料，将反应后的复合电极材料分别用去离子水和无水乙醇洗涤3次，然后再在60℃的温度条件下进行干燥4h，即得到NiSeP/NF复合电极材料。
实施例2
除S21中NaH2PO2水溶液的浓度为2mol·L-1；
S22中在140℃的温度条件下进行水热反应14h；
其余均与实施例1相同。
实施例3
除S21中NaH2PO2水溶液的浓度为5mol·L-1；
其余均与实施例1相同。
实施例4
除S31中Se和NiSO4·6H2O的摩尔比为3:1；
其余均与实施例1相同。
实施例5
除S31中Se和NiSO4·6H2O的摩尔比为5:1；
其余均与实施例1相同。
实施例6
除S31中Se和NiSO4·6H2O的摩尔比为6:1；
其余均与实施例1相同。
实施例7
除S32中溶剂热反应温度为120℃；
其余均与实施例1相同。
实施例8
除S32中溶剂热反应温度为160℃；
其余均与实施例1相同。
实施例9
除S32中溶剂热反应温度为180℃；
其余均与实施例1相同。
实施例10
除S31中溶剂采用水合肼；
其余均与实施例1相同。
实施例11
除S31中溶剂水合肼与水的体积比为2:1；
其余均与实施例1相同。
实施例12
除S31中溶剂水合肼与水的体积比为1:1；
其余均与实施例1相同。
实施例13
除S31中溶剂水合肼与水的体积比为0.5:1；
其余均与实施例1相同。
对比例1
实施例1中S2制得的Ni2P/NF复合电极材料作为对比例1。
对比例2
NiSe2/NF复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、泡沫镍基材的处理，处理过程与实施例1相同；
S2、NiSe2/NF复合电极材料的制备：
S21、配制含硒、镍元素的混合液，配制过程与实施例1相同；
S22、将得到的含硒、镍元素的混合液超声处理10min，然后再转移至反应釜中，填充度为60％，将S1处理的泡沫镍基材放入反应釜中，浸渍于超声后的含硒、镍元素的混合液中，然后密封反应釜，在140℃的温度条件下进行溶剂热反应20h，反应完成后，打开反应釜釜体，取出反应后的复合电极材料，将反应后的复合电极材料分别用去离子水和无水乙醇洗涤3次，然后再在60℃的温度条件下进行干燥4h，即得到NiSe2/NF复合电极材料。
对比例3
实施例1中S1制得的泡沫镍基材作为空白泡沫镍，作为对比例3。
实验例1：
有关实施例1、实施例4、实施例5、实施例6不同镍硒配比对NiSeP/NF复合电极材料微观形貌的影响：
镍硒原料的配比在水热合成反应中会直接影响产物的微观形貌。为了研究反应物配比对反应产物的影响，采用单因素控制变量法，选用不同的硒镍摩尔比(3:1、4:1、5:1、6:1)，制备NiSeP/NF复合电极材料，并以SEM作为表征手段分析了镍硒原料的配比对产物NiSeP/NF复合电极材料表观形貌的影响，结果如图1所示。
由图1中a可知，当硒镍摩尔比为3:1时，实施例4制得的NiSeP/NF复合电极材料表面形成了大小和空隙都不均匀的且不规则的八面体结构；如图1中b所示，硒镍摩尔比为4:1时，可清晰看到实施例1制得的NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌为大小均匀、空隙密集、表面光滑，成规则的八面体结构；随着硒镍摩尔比的增大，NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌越来越不规则，图1中c所示，硒镍摩尔比为5:1时，实施例5制得的NiSeP/NF复合电极材料表面的微观形貌呈现不均一的八面体结构；如图1中d所示，硒镍摩尔比为6:1时，实施例6制得的NiSeP/NF复合电极材料表面的微观形貌虽然光滑但空隙很大，不密集。因此，由图1中a～d可知，硒镍摩尔比为4:1时实施例1制得的NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌最优。
实验例2：
有关实施例1、实施例7、实施例8、实施例9不同溶剂热温度对NiSeP/NF复合电极材料微观形貌的影响：
溶剂热反应温度对制得的NiSeP/NF复合电极材料微观形貌的影响是非常重要的，为了研究溶剂热反应温度对反应产物的影响，选取了扫描电镜下放大相同倍数的微观形貌图进行分析。选用不同的溶剂热反应温度(120℃、140℃、160℃、180℃)，并以SEM作为表征手段进行产物的表观微观形貌分析，从而分析溶剂热反应温度对电极的影响，结果如图2所示。
由图2中a～d可明显看出，在不同的溶剂热反应温度下制备NiSeP/NF复合电极材料的表观微观形貌差异非常大。如图2中a所示，溶剂热反应温度为120℃时，实施例7制得的NiSeP/NF复合电极材料的表观微观形貌呈八面体结构，但不规则，大小不一；如图2中b所示，溶剂热反应温度为140℃时，实施例1制得的NiSeP/NF复合电极材料的表观微观形貌有清晰的八面体结构，且大小均匀，空隙密集；然而继续随着温度的增高，NiSeP/NF复合电极材料表面呈现出一个形貌均匀到不均匀的趋势；如图2中c所示，溶剂热反应温度为160℃时，实施例8制得的NiSeP/NF复合电极材料的表观分布较稀疏；如图2中d所示，溶剂热反应温度为180℃时，实施例9制得的NiSeP/NF复合电极材料表面空隙呈现更加不均匀、更不规则的八面体的结构，减少了NiSeP/NF复合电极材料表面的电催化活性面积，使得析氢过程更不容易进行。由此可知，温度为140℃时，实施例1制得的NiSeP/NF复合电极材料的表观微观形貌较好；所以NiSeP/NF复合电极材料优化的溶剂热反应温度以140℃为宜。
实验例3：
有关实施例1、实施例10、实施例11、实施例12、实施例13溶剂中水合肼与水的不同配比对NiSeP/NF复合电极材料微观形貌的影响：
溶剂中水合肼与水的不同配比对NiSeP/NF复合电极材料表观微观形貌的影响也是非常重要的。为了研究溶剂中水合肼的比例对于产物NiSeP/NF复合电极材料表观微观形貌的影响，采用单一变量法，控制水合肼与水的体积比分别为(1:0、3:1、2:1、1:1、1:2)，总体积15mL，并以SEM作为表征手段测定了NiSeP/NF复合电极材料的表观微观形貌，从而分析溶剂中水合肼比例对NiSeP/NF复合电极材料微观形貌的影响，如图3所示。
由图3可知溶剂中水合肼比例不同，产物的微观形貌有很大的差距。如图3中a所示，水合肼与水的体积比为1:0时，实施例10制得的NiSeP/NF复合电极材料表面产生了极少数的八面体结构；如图3中b所示，水合肼与水的体积比为3:1时，实施例1制得的NiSeP/NF复合电极材料表面呈现分布密集、且大小均匀、规则的八面体结构；如图3中c所示，水合肼与水的体积比为2:1时，实施例11制得的NiSeP/NF复合电极材料表面形貌呈现相对密集的八面体结构；如图3中d所示，水合肼与水的体积比为1:1时，实施例12制得的NiSeP/NF复合电极材料表面微观形貌呈山脉状，完全没有八面体结构出现；如图3中e所示，水合肼与水的体积比为1:2时，实施例13制得的NiSeP/NF复合电极材料表面呈现了少数八面体结构，但大小不均匀，分布比较稀疏。由此可知，溶剂中水合肼与水的体积比为3:1时，实施例1制得的NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌较好，所以溶剂中水合肼与水的体积比为3:1最适宜。
实验例4：
对比实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料和对比例1制备的Ni2P/NF复合电极材料的微观形貌：
对实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的微观形貌进行表征，同时与对比例1制备的Ni2P/NF复合电极材料的微观形貌作对比，结果如图4所示。其中，由图4中a可知对比例1制备的Ni2P/NF复合电极材料的表面结构为由密集排列的纳米片交织互连形成网状结构；如图4中b可知实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料表面的微观结构为八面体结构。由图4中a和b可知对比例1制备的Ni2P/NF复合电极材料和实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的微观结构完全不同，这是因为实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的多孔网状结构被200nm左右的八面体结构的NiSe2完全覆盖，从而使得NiSeP/NF复合电极材料呈现为八面体结构，这有助于暴露出电极材料更多的活性位点，也进一步说明了实施例1成功制备了NiSeP/NF复合电极材料。
实验例5：
对实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料中各元素含量的EDX测试：
图5是对实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料中各元素含量的EDX测试结果，如图5所示，实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料表面分布镍元素、硒元素和磷元素，这些元素与制备溶液组成相同，表明实施例1成功制备了NiSeP/NF复合电极材料，且各元素的摩尔比例分别为38.66％、56.08％、5.31％。
如图6所示，图6中a为实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的选区微观形貌图，图6中c为实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的镍元素在电极上的分布图，图6中d为实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的硒元素在电极上的分布图，图6中e为实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的磷元素在电极上的分布图。其中Ni元素主要分布于空隙，而Se、P元素的分布基本与样品形貌相同，如图6中b证明它们是均匀分布在实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料表面的。
实验例6：
对实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的物相结构进行测试：
如图7所示，实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的XRD图谱中出现了大量尖锐而显著的特征衍射峰，表明形成了大量的晶度高、晶型好、纯度高的晶相结构，与MDI Jade5标注卡片对比，发现谱图中出现了NiSe2(No.65-5016)的多处特征衍射峰，分别属于NiSe2的(200)、(210)、(211)、(220)、(311)、(222)、(023)、(321)、(400)、(411)、(421)、(332)晶面。与此同时，在23.53°处也发现了Ni2P(No.89-2742)的特征衍射峰，属于Ni2P的(210)晶面，这表明实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料表面的主晶相为NiSe2，次晶相为Ni2P。谱图中未有其他衍射峰的出现，表明制备的NiSeP/NF复合电极材料纯度高，只有NiSe2、Ni2P两种晶相。
实验例7：
对比实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料与对比例3制备的空白泡沫镍的析氢极化曲线：
从图8所示，在电流密度为10mAcm-2时，实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的析氢过电位为104mV，而对比例3空白泡沫镍的过电势为168mV，对比例1制备的Ni2P/NF复合电极材料和对比例2制备的NiSe2/NF复合电极材料的析氢过电位分别为147mV和124mV，可以看出实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料有最高的析氢活性。这主要是因为实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料表面特殊的微观形貌使其有更大的活性面积，有利于活性位点的暴露，从而证明实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料有良好的析氢效果。
实验例8：
对比实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料与对比例3制备的空白泡沫镍的电化学活性表面积：
为了进一步研究实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料复合电极高催化活性的原因，测定实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料表面催化成分的双电层电容来评估电化学活性面积(ECSA)。本实验选择操作窗口为-50mV～50mV，所有测得电位未产生法拉第反应。通过实验制得的电极在1.0mol·L-1KOH溶液中经循环伏安法进行表征测试，得到如图9的a、c所示。
如图9中d可知，对比例3制备的空白泡沫镍的Cdl为0.88mFcm-2；如图9中b可知，实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的Cdl为7.514mFcm-2，经过计算，实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的电催化活性面积是187.85cm-2，而对比例3制备的空白泡沫镍的仅为22cm-2。对比可知，实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的电催化活性面积是对比例3制备的空白泡沫镍的近9倍，具有较大的电化学活性面积。
实验例9：
对比实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料与对比例3制备的空白泡沫镍的交流阻抗测试结果：
为了更加深入的了解实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的析氢催化活性增强的原因，采用电化学交流阻抗测定了对比例3制备的空白泡沫镍和实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的交流阻抗谱。实验参数：电解液为1.0mol·L-1KOH，电压为-1.25V，振幅为5mV，频率0.1Hz～105Hz，测试结果如图10所示。
图10中Rs表示溶液电阻，CPE表示长相位原电容，Rct是电荷转移电阻，是评价固相电极与电解液接触界面电荷转移过程的重要参数，可由Nyquist图中半圆的直径大小来估算。利用电路图对Nyquist曲线进行拟合，能看到实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的阻抗谱的半圆直径相较于对比例3制备的空白泡沫镍明显较小，表明该电极表面HER过程受电化学反应控制。半圆直径大小反映了电极界面发生电荷转移阻力大小，半径越小即电荷转移阻力越小，说明电子转移速度越快，从而说明实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的有更好催化动力学特性，这对于实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料催化水分解析氢是极为有利的。
实验例10：
实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料的稳定性评价：
样品的稳定性测试是衡量电化学性能的重要因素。本课题中采用计时电位法来和多电流阶跃测定电极在三电极体系中的催化稳定性。即在1mol·L-1KOH电解液中，施加恒定电流密度10mA/cm2、100mA/cm2，测定12h，观察分析电极电位的变化。连续改变析氢反应的电流密度，观察当电流密度由50mA/cm2逐步增长至500mA/cm2，每隔200s电流密度增加50mA/cm2时，工作电极的电位变化以及对电流的响应状况，所测结果如图11所示。
电极材料的稳定性是评价电催化剂工业应用价值的重要依据。为此，采用两种不同的测试技术对实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料在强碱性介质环境中的稳定性进行评估。如图11中a所示，在每一个阶跃的电流密度下，电位值几乎保持不变，说明实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料在析氢过程中导电性好，保证了快速的电荷传递，气体产物扩散能力强并能快速从电极表面逸出，传质能力强能够保证物料在电极表面快速地进行质量传递，表明实施例1制备的目标电极材料具有极好的析氢稳定性。如图11中b所示，待电极稳定后，催化水分解析氢反应在12h内电势基本保持不变。在电流密度为10mA/cm2和100mA/cm2时，电势始终分别保持在-1.22V和-1.39V，而且在连续12h的稳定性测试中，相应的电位波动仅为10mV和12mV，表明实施例1制备的NiSeP/NF复合电极材料在长时间催化析氢过程优异的稳定性，为其在电解制氢的工业化应用奠定了基础。
本发明以三维多孔结构的泡沫镍(NF)为基板，NiSO4·6H2O、Se粉和NaH2PO2·H2O为原料，在水合肼溶液中水热合成NiSeP/NF复合电极材料，并对制备工艺进行优化。结果表明：当以Ni2P/NF为二次基板，Ni:Se的摩尔比为1:4，水合肼配比为3:1时，在140℃溶剂热下合成20h，获得了分布均匀、平均尺寸为200nm具有八面体结构的NiSeP/NF复合电极材料。以其作为电解水阴极材料，在1.0mol·L-1KOH中，电流密度为10mA/cm2时，NiSeP/NF复合电极材料的析氢过电势为104mV，相比同条件下的NF，析氢活性得到了大幅提升，分析后发现增大了近9倍活性面积以及优异的动力学特性是其活性改善的主要原因。测试制备的NiSeP/NF复合电极材料的稳定性，还发现其表现出优异的催化稳定性并保有良好的机械强度。本研究为纳米尺度的合成提供了一个新的视角，为新型低能耗电极提供了可持续的发展前景。
需要说明的是，在本申请中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、泡沫镍基材的处理；
S2、Ni2P/NF复合电极材料的制备：
S21、以NaH2PO2∙H2O为原料配制浓度为2mol·L-1~5mol·L-1的NaH2PO2水溶液；
S22、将得到的NaH2PO2水溶液超声处理，然后再转移至反应釜中，将经S1处理得到的泡沫镍条也放入反应釜中，浸渍于超声后的NaH2PO2水溶液中，然后密封反应釜，在120℃~140℃的温度条件下进行水热反应12h~14h，反应完成后，打开反应釜釜体，取出反应后的泡沫镍条，将反应后的泡沫镍条经洗涤、干燥后，即得到Ni2P/NF复合电极材料；
S3、NiSeP/NF复合电极材料的制备：
S31、以摩尔比为3~6:1的比例称取Se和NiSO4∙6H2O，作为溶质，以体积比为2~3：1的水合肼和超纯水的混合液为溶剂，以NiSO4∙6H2O浓度为0.133mol/L为基准，配制含硒、镍元素的混合液；
S32、将得到的含硒、镍元素的混合液超声处理，然后再转移至反应釜中，将S22得到的Ni2P/NF复合电极材料也放入反应釜中，浸渍于超声后的含硒、镍元素的混合液中，然后密封反应釜，在120℃~180℃的温度条件下进行溶剂热反应16h~24h，反应完成后，打开反应釜釜体，取出反应后的复合电极材料，将反应后的复合电极材料经洗涤、干燥后，即得到NiSeP/NF复合电极材料。
2.根据权利要求1所述的NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述泡沫镍基材的处理，具体为：将纯度为99.9%、厚度为0.5mm的金属泡沫镍裁剪成规格为2.0cm×0.5cm的泡沫镍条，然后将裁剪好的泡沫镍条依次在浓度为5mol/L的盐酸溶液和95%的乙醇溶液中超声浸泡15min，除去泡沫镍条表面的氧化物及表层油污，再用去离子水清洗三次后储于无水乙醇中备用。
3.根据权利要求1所述的NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，其特征在于，S22中，所述得到的NaH2PO2水溶液超声处理的时间为10min~30min。
4.根据权利要求1所述的NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，其特征在于，S22中，所述反应釜的填充度为80%。
5.根据权利要求1所述的NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，其特征在于，S22中，所述将反应后的泡沫镍条经洗涤、干燥，具体为：将反应后的泡沫镍条分别用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，然后再在60℃的温度条件下进行干燥4h。
6.根据权利要求1所述的NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，其特征在于，S32中，所述得到的含硒、镍元素的混合液超声处理的时间为10min。
7.根据权利要求1所述的NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，其特征在于，S32中，所述反应釜的填充度为60%。
8.根据权利要求1所述的NiSeP/NF复合电极材料的制备方法，其特征在于，S32中，所述将反应后的复合电极材料经洗涤、干燥，具体为：将反应后的复合电极材料分别用去离子水和无水乙醇洗涤3次，然后再在60℃的温度条件下进行干燥4h。
9.NiSeP/NF复合电极材料，其特征在于，根据权利要求1~8中任一项所述的制备方法制备而成。
10.根据权利要求9所述的NiSeP/NF复合电极材料在电催化析氢领域的应用。
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