CN113604818A - 一种非对称电解池用电极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称电解池用Fe‑NiS@NF||Fe‑NiO/NiS@NF电极材料及其制备方法，将将预处理过的泡沫镍铁(NF)放入管式炉中，再将升华硫置于入管式炉载气上游，在氩气气氛中，加热至250‑500℃并保温1‑4h，得到Fe掺杂NiS@NF电极材料；将预处理过的泡沫镍放入管式炉中，在空气气氛中，加热至200‑600℃并保温1‑4h，得到Fe掺杂NiO@NF电极材料，再将升华硫置于入管式炉载气上游，在氩气气流中再次加热到250‑500℃并保温反应1‑4h进行硫化，得到Fe掺杂NiO/NiS@NF电极材料；将得到的Fe掺杂NiS@NF电极材料作为阴极，Fe掺杂NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe‑NiS@NF||Fe‑NiO/NiS@NF非对称电解池，在500mA cm‑2大电流密度下全解水催化性能和工作稳定性高。
Description
技术领域
本发明属于电解池电极材料领域，涉及一种非对称电解池用Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料及其制备方法，具体地说，是涉及一种用于构建非对称电解池的Fe掺杂NiS@NF阴极材料和Fe掺杂NiO/NiS@NF阳极材料及其制备方法。
背景技术
电催化分解水制氢被认为是最有前景的能源转换技术来应对当前能源危机和环境问题。它涉及两个半反应：阴极的产氢反应(HER)和阳极的产氧反应(OER)，这两个反应在驱动水分解方面起着关键的作用。但由于HER和OER缓慢的动力学需要高的过电位分解水，而阻碍了其实际应用，特别是难以在碱性电解质条件下推广应用。贵金属基电催化剂的催化活性高，被认为是理想的催化剂，但由于其成本高，储量有限而阻碍了其大规模应用。近年来，人们致力于高效稳定的低成本的非贵金属催化剂的开发。
过渡金属氧化物和氢氧化物，特别是由于其丰富的储量和优异的催化性能，被认为是取代贵金属最好的催化剂。但是，NiFe氧化物催化剂很难同时表现出高的产氢和产氧性能，因为很难同时调节氢、氧中间体之间的相互作用以实现高效全解水。由于其缓慢的水分解动力学，这类催化剂依然展现出较差的HER活性。其根本原因还是由于在HER基元反应中，NiFe氧化物中金属离子中心对氢键的结合能非常弱，导致动力学受到很大的限制。因此，探索和设计简单的调控策略来促进NiFe基材料的HER性能来适应电解水技术的需求显得更有意义。
同时，镍铁基氧化物有着半导体的性质，电子传输较为缓慢，很难满足在大电流密度下保持高效的电荷传输效率。另外，电催化反应是一种材料表面氧化还原反应，随着所施加电位的增大，材料表面的吸附和脱附状态发生变化，甚至随着电流密度的不断增大，在固液界面的反应过程中，催化反应和气体释放达到饱和，使得催化反应动力学受到更大的限制。因此，需要探索和寻求简单的方法来促进OER反应动力学特征，特别是在大电流密度下，实现高效稳定的催化性能来满足工业化电解水技术的需求。
除了效率和稳定性的要求外，催化剂的合成方法、能耗和经济性也应满足实际工业应用。
发明内容：
本发明针对现有技术中，电解池在10mA cm-2的电流密度下所需槽压高，在500mAcm-2大电流密度下催化性能和工作稳定性差、成本高等缺点，提出了一种用于构建非对称电解池的Fe-NiS@NF||NiS/NiO@NF电极材料及其制备方法，其特征在于，通过对泡沫镍铁的原位硫化处理，使硫化、Fe掺杂一步完成，得到Fe掺杂的NiS@NF电极材料(Fe-NiS@NF)，通过对泡沫镍铁先适度的氧化处理，再进行硫化处理，使NiO量子点均匀分散在NiS纳米颗粒的表面，得到Fe掺杂的NiO/NiS@NF电极材料(Fe-NiO/NiS@NF)，将Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建非对称电解池，全解水制氢效率高，所述电极材料的制备方法包括下述步骤：
(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，称取0.1-1g升华硫置于入管式炉上游，在氩气气氛中，使用程序升温以1-10℃/min的升温速率至250-500℃，并保温1-4h，待室温冷却后，将得到的材料分别用水和乙醇洗涤，在干燥箱中干燥，得到Fe-NiS@NF电极材料；
(3)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，在空气气氛中，以1-10℃/min升温速率至200-600℃保温1-4h，室温冷却后洗涤干燥，得到Fe-NiO@NF电极材料；
(4)将步骤(3)制备的Fe-NiO@NF放入管式炉中，载气上游放置0.1-1.0g升华硫，在氩气作保护气氛中，以1-10℃/min加热速率升温至250-500℃，并保温反应1-4h，得到Fe-NiO/NiS@NF电极材料；
(5)将步骤(2)得到Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，将步骤(4)得到的F-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF非对称电解池。
本发明的优点在于：该方法工艺简单，通过对泡沫镍铁的原位硫化处理使硫化，Fe掺杂一步完成，改变了材料的表面活性状态，调整了主体催化剂的电子结构，有利于HER催化反应动力学的提高，同时高的比表面积有利于反应过程中固液界面的充分接触，另外，原位硫化处理又能保证电子从基底到表面的高效传输，使制备的Fe掺杂的NiS@NF电极材料具有优异的HER催化活性。通过对泡沫镍铁先适度的氧化处理，再进行硫化处理，使Fe掺杂的NiO量子点均匀分散在Fe掺杂的NiS纳米颗粒的表面，获得了有利于提高OER反应动力学的异质界面，使制备的Fe掺杂的NiO/NiS@NF电极材料具有优异的OER催化活性。将Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建非对称电解池，具有优异的全解水性能。
本发明所述方法制备的Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料构建的非对称电解池，在500mA cm-2大电流密度下电催化效率高，对于全解水制氢和电催化降解水中有机污染物都有很好的电催化活性，对有机精细化学品也有很好的电催化氧化选择性。
附图说明
图1为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料的XRD谱图。
图2为利用本发明对比例一所述方法制备的Fe-NiO@NF电极材料的XRD谱图。
图3为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料的XRD谱图。
图4为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料不同放大倍数的SEM照片。
图5为利用本发明对比例一所述方法制备的Fe-NiO@NF电极材料不同放大倍数的SEM照片。
图6为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiS/NiO@NF阳极材料不同放大倍数的SEM照片。
图7为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料相应的元素SEM-mapping图谱。
图8为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料相应的元素SEM-mapping图谱。
图9为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料不同放大倍数的TEM和HRTEM照片。
图10为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料不同放大倍数的TEM和HRTEM照片。
图11为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料的X射线光电子能谱。
图12为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料的X射线光电子能谱。
图13为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料的LSV曲线。
图14为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料的LSV曲线。
图15为利用本发明实施例一所述方法制备的Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料构建的非对称电解池的全解水的线性扫描伏安曲线。
图16为利用本发明实施例一所述方法制备的Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料构建的非对称电解池的全解水的稳定性测试。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例一：
(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，准确称取0.4g升华硫置于入管式炉上游，在氩气气氛中，使用程序升温以2℃/min的升温速率至300℃，并保温2h。待室温冷却后，将得到的材料分别用水和乙醇洗涤，在干燥箱中干燥，得到Fe-NiS@NF电极材料；
(3)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，在空气气氛中，以5℃/min升温速率至400℃保温4h，室温冷却后洗涤干燥，得到Fe-NiO@NF电极材料；
(4)将步骤(3)制备的Fe-NiO@NF放入管式炉中，上游放置0.5g升华硫，在氩气作保护气氛中，以2℃/min加热速率升温至300℃，并保温反应2h，得到Fe-NiO/NiS@NF电极材料；
(5)将步骤(2)得到Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，将步骤(4)得到的Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF非对称电解池。
实施例二：
(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，准确称取0.2g升华硫置于入管式炉上游，在氩气气氛中，使用程序升温以2℃/min的升温速率至300℃，并保温2h。待室温冷却后，将得到的材料分别用水和乙醇洗涤，在干燥箱中干燥，得到Fe-NiS@NF电极材料；
(3)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，在空气气氛中，以5℃/min升温速率至200℃保温4h，室温冷却后洗涤干燥，得到Fe-NiO@NF电极材料；
(4)将步骤(3)制备的Fe-NiO@NF放入管式炉中，上游放置0.3g升华硫，在氩气作保护气氛中，以2℃/min加热速率升温至300℃，并保温反应2h，得到Fe-NiO/NiS@NF电极材料；
(5)将步骤(2)得到Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，将步骤(4)得到的Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF非对称电解池。
实施例三：
(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，准确称取0.6g升华硫置于入管式炉上游，在氩气气氛中，使用程序升温以2℃/min的升温速率至300℃，并保温2h。待室温冷却后，将得到的材料分别用水和乙醇洗涤，在干燥箱中干燥，得到Fe-NiS@NF电极材料；
(3)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，在空气气氛中，以5℃/min升温速率至600℃保温4h，室温冷却后洗涤干燥，得到Fe-NiO@NF电极材料；
(4)将步骤(3)制备的Fe-NiO@NF放入管式炉中，上游放置0.7g升华硫，在氩气作保护气氛中，以2℃/min加热速率升温至300℃，并保温反应2h，得到Fe-NiO/NiS@NF电极材料；
(5)将步骤(2)得到Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，将步骤(4)得到的Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF非对称电解池。
实施例四：
(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，准确称取0.4g升华硫置于入管式炉上游，在氩气气氛中，使用程序升温以5℃/min的升温速率至400℃，并保温2h。待室温冷却后，将得到的材料分别用水和乙醇洗涤，在干燥箱中干燥，得到Fe-NiS@NF电极材料；
(3)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，在空气气氛中，以2℃/min升温速率至400℃保温4h，室温冷却后洗涤干燥，得到Fe-NiO@NF电极材料；
(4)将步骤(3)制备的Fe-NiO@NF放入管式炉中，上游放置0.5g升华硫，在氩气作保护气氛中，以2℃/min加热速率升温至400℃，并保温反应2h，得到Fe-NiO/NiS@NF电极材料；
(5)将步骤(2)得到Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，将步骤(4)得到的Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF非对称电解池。
实施例五：
(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，准确称取0.3g升华硫置于入管式炉上游，在氩气气氛中，使用程序升温以1℃/min的升温速率至350℃，并保温2h。待室温冷却后，将得到的材料分别用水和乙醇洗涤，在干燥箱中干燥，得到Fe-NiS@NF电极材料；
(3)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，在空气气氛中，以1℃/min升温速率至350℃保温2h，室温冷却后洗涤干燥，得到Fe-NiO@NF电极材料；
(4)将步骤(3)制备的Fe-NiO@NF放入管式炉中，上游放置0.5g升华硫，在氩气作保护气氛中，以1℃/min加热速率升温至350℃，并保温反应2h，得到Fe-NiO/NiS@NF电极材料；
(5)将步骤(2)得到Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，将步骤(4)得到的Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF非对称电解池。
实施例六：
(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，准确称取0.4g升华硫置于入管式炉上游，在氩气气氛中，使用程序升温以10℃/min的升温速率至500℃，并保温1h。待室温冷却后，将得到的材料分别用水和乙醇洗涤，在干燥箱中干燥，得到Fe-NiS@NF电极材料；
(3)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，在空气气氛中，以10℃/min升温速率至500℃保温1h，室温冷却后洗涤干燥，得到Fe-NiO@NF电极材料；
(4)将步骤(3)制备的Fe-NiO@NF放入管式炉中，上游放置0.5g升华硫，在氩气作保护气氛中，以10℃/min加热速率升温至500℃，并保温反应1h，得到Fe-NiO/NiS@NF电极材料；
(5)将步骤(2)得到Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，将步骤(4)得到的Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF非对称电解池。
对比例一：
(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，在空气气氛中，以5℃/min升温速率至400℃保温4h，室温冷却后洗涤干燥，得到Fe-NiO@NF电极材料。
对比例二：
(1)将泡沫镍裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍放入管式炉中，准确称取0.4g升华硫置于入管式炉上游，在氩气气氛中，使用程序升温以2℃/min的升温速率至300℃，并保温2h。待室温冷却后，将得到的材料分别用水和乙醇洗涤，在干燥箱中干燥，得到NiS@NF电极材料；
图1为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料的XRD谱图。从图中可以看出，在44.2°、51.5°、75.8°的三个强峰(五角星标)归属于基底Ni3Fe的(110)(200)(220)晶面(PDF 88-1715)，其余的峰可指标化为硫化镍的特征峰(PDF 77-1624)。但在XRD调查中，并没有发现Fe化合物相关衍射峰，但是值得注意的是，材料的衍射峰较硫化镍标准峰向高角度方向的细微偏移，这可能是由于少量Fe掺杂到NiS中的原因。
图2为利用本发明对比例一所述方法制备的Fe-NiO@NF电极材料的XRD谱图。从图可以看出，除了基底Ni3Fe的峰以外，其余的XRD衍射信息符合NiO的峰(NiO PDF 73-1519)。同样也可以发现，样品的XRD衍射峰较标准的卡片发生了轻微的偏移，这可能是少量异质原子Fe掺杂的原因。
图3为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料的XRD谱图。从图可以看出，在30.1°、34.7°、45.8°、53.4°的衍射峰符合标准卡片NiS(PDF 77-1624)的(100)(101)(102)(110)衍射特征，但同样是较标准30.0°、34.5°、45.7°、53.2°有着细微的偏移，这可能是基底中少量铁掺杂的原因。*处衍射峰说明还有少量NiO存在。
图4为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料不同放大倍数的SEM照片。从中可以看出，经过反应后泡沫镍铁原位生长出很多尺寸不一的微球。进一步放大的SEM图可以看出微球表面有很多纳米颗粒组成，表面较为粗糙，这种粗糙的表面不仅能展现更大的比表面积，暴露出更多的活性位点，也能保证电解液和反应离子在材料表面的充分渗入和接触。
图5为利用本发明对比例一所述方法制备的Fe-NiO@NF电极材料不同放大倍数的SEM照片。从图可以看出，经过高温氧化处理，泡沫镍铁基底表面变得非常粗糙，表面有很多的颗粒凸起，进一步的放大扫描图片可以看到，经过氧化处理材料表面发生皲裂，凸起，出现了很多裂痕。
图6为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiS/NiO@NF阳极电极材料不同放大倍数的SEM照片。从图可以看出，经过硫化侵蚀后，泡沫镍铁骨架表面颗粒包裹更加紧密，表面的颗粒也变得更加精细化，从放大图片可以看出看出这些颗粒是由很多纳米粒子堆积而成。这可能是表面的金属氧化物种在高温下大部分原位转换为金属硫化物。
图7为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极电极材料的相应的元素SEM-mapping图谱。其中Ni、Fe、O、S元素分配情况符合基底表面材料分布特征，其中少量O元素的出现可能是由于材料表面发生了部分的氧化。经过这种简单的硫化处理，成功的合成了Fe掺杂的NiS@NF。
图8为利用本发明实施例一所述方法实施例一所述方法步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料的相应的元素SEM-mapping图谱。Ni、Fe、O和S元素分配符各元素的分布特征，其中，表面氧原子的分配情况明显提高，说明经过氧化硫化处理后，成功在泡沫镍铁基底上合成了具有丰富异质结构的金属氧化物和硫化物活性物种。
图9为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料的不同放大倍数的TEM和HRTEM照片。从图可以看出，材料表面的是由很多微球组成，对其进行放大，可以看出所得微球明暗相间，呈多孔结构。另外，从9c的HRTEM可以看出微球表面出现大量的清晰晶格条纹和一些无条纹的区域。9d照片中更是可以看出材料表面有很多连续清晰的晶格条纹，有的地方没有观察到晶格条纹这可能是微球表面上纳米颗粒在空间上堆积产生的。HRTEM图中晶格间距为0.205nm晶格条纹可指标化为基底Ni3Fe的(111)晶面。此外，0.260nm晶格条纹可归属于NiS的(101)晶面，这是由于镍铁基底表面在经历硫化反应侵蚀后，部分转化为金属硫化物。
图10为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料的的不同放大倍数的TEM和HRTEM照片。从图可以看出，材料表面的粒子的尺寸主要集中在100-200nm左右，从HRTEM图片中可以看出，表面出现很多连续清晰的晶格条纹。另外，在10b中还可以发现很多堆叠层错的条区域。晶格间距为0.241nm的条纹符合NiO的(111)晶面，间距为0.26nm的晶格条纹可指标化为硫化镍(101)面。从图10c中可以清楚的看到两种晶格条纹相互交错，出现了典型异质界面的特征。
图11为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料的X射线光电子能谱。图11a中Fe 2p高分辨谱图中可以看到，在高结合能713.8eV和低结合能725.6eV的峰匹配为Fe 2p3/2和2p1/2特征峰，并在706.6eV处的峰属于金属Fe的特征峰。结合能为855.2eV和874.0eV的峰归属于Ni 2p1/2和Ni 2p3/2，并在861.8和879.8eV处伴随着两个卫星峰，这是典型Ni2+的峰型(图11b)。在S 2p高分辨XPS谱图中(图11c)，164.0eV和162.8eV结合能处的峰分别归属于S 2p 1/2和2p 3/2的特征峰。此外，在168.7eV处有明显的S-O的特征峰，这也表明材料表面发生了部分氧化。
图12为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料的X射线光电子能谱。从图12a的XPS全谱中可以发现，材料表面主要是由Ni、Fe、O、S元素组成，结合能在856.4eV和874.1eV的峰符合Ni原子的特征，伴随着在861.7和880.8eV出现两个卫星峰。在Fe 2p高分辨谱图中，712.8eV结合能处的峰和723.9eV的峰归属于Fe 2p3/2和2p1/2，这也符合铁的硫化物电子能状态。另外在低结合能处的峰是典型金属铁的特征峰。同样也对表面的S和O原子状态进行了调查，12d给出了S的2p高分辨XPS能谱，结合能在163.2eV和164.0eV的峰属于M-O键，另外，在169.1eV的峰归属于S-O键。同样从11e的O1s中可以看出，在531.0、531.8、532.9eV结合能处的峰属于M-OH,S-O和表面吸附的水分子。这些详细的表征也充分说明了泡沫镍铁经过简单的氧化硫化后，在基底表面形成了大量的NiFe的氧化物和硫化物，并出现了大量的异质结构。这种原位生长出的异质结构不仅能有效的改善材料的催化活性，同样能保证电子从基底到表面活性的迅速转移。
图13为利用本发明实施例一所述方法经步骤(2)制备的Fe-NiS@NF阴极材料的LSV曲线。采用三电极体系，1.0M的KOH作为电解液，所制备的Fe-NiS@NF电极为工作电极，记录线性扫描伏安曲线(linear sweep voltammetry,LSV)，由图13中LSV曲线可以看出，泡沫镍铁经过简单的高温硫化过程后，所得Fe-NiS@NF材料的HER性能得到了极大的改善，10mAcm-2电流密度时的过电位仅为96mV，仅需313mV的过电位即可达到500mA cm-2，明显优于对比例二泡沫镍硫化得到的没有Fe掺杂的NiS@NF电极材料的过电位。
图14为利用本发明实施例一所述方法经步骤(4)制备的Fe-NiO/NiS@NF阳极材料的LSV曲线。从线性扫描伏安曲线可以看出，Fe-NiO/NiS@NF曲线的OER性能非常优异，10mAcm-2电流密度时的过电位仅为245mV，仅需要375mV的过电位就可以达到工业化生产强度的要求(电流密度≥500mA cm-2)。远优于对比例一所得Fe-NiO@NF阳极材料的OER性能。
图15为利用本发明实施例一所述方法制备的Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料构建的非对称电解池的全解水的线性扫描伏安曲线。采用两电极体系，1.0M的KOH作为电解液，所制备的两个电极分别作为阴极和阳极，从所得线性扫描伏安曲线可以看出，所组成的非对称电解池仅需要1.47mV的电压就可以实现水的裂解。
图16为利用本发明实施例一所述方法制备的Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料构建的非对称电解池的全解水的稳定性测试。i-t曲线可以看出，材料在10mA cm-2时的催化性能非常稳定，在经历24h的电极反应后，材料的稳定性基本没发生改变，值得注意的是在100mA cm-2的高电流密度下进行测试时，电流密度也仅有微弱的衰减。
将Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料构建的非对称电解池用于对水溶液中有机染料进行电催化降解，结果表明本发明所制备的Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料构建的非对称电解池对于有机染料的电催化降解也具有很好的电催化氧化性能，可以用于有机废水的处理。
将Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料构建的非对称电解池用于非对称超级电容器的充放电性能测试，电极材料具有高的比电容、良好的倍率性能和良好充放电循环稳定性。
上述实施例是本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，未背离本发明的原理与工艺过程下所作的其它任何改变、替代、简化等，均为等效的置换，都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种非对称电解池用电极材料及其制备方法，其特征在于，通过对泡沫镍铁的原位硫化处理，使硫化、Fe掺杂一步完成，得到Fe掺杂的NiS@NF电极材料(Fe-NiS@NF)，通过对泡沫镍铁先适度的氧化处理，再进行硫化处理，使NiO量子点均匀分散在NiS纳米颗粒的表面，得到Fe掺杂的NiO/NiS@NF电极材料(Fe-NiO/NiS@NF)，将Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建非对称电解池，全解水制氢效率高，所述电极材料的制备方法包括下述步骤：
(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm2大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；
(2)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，称取0.1-1g升华硫置于入管式炉上游，在氩气气氛中，使用程序升温以1-10℃/min的升温速率至250-500℃，并保温1-4h，待室温冷却后，将得到的材料分别用水和乙醇洗涤，在干燥箱中干燥，得到Fe-NiS@NF电极材料；
(3)将步骤(1)预处理好的泡沫镍铁放入管式炉中，在空气气氛中，以1-10℃/min升温速率至200-600℃保温1-4h，室温冷却后洗涤干燥，得到Fe-NiO@NF电极材料；
(4)将步骤(3)制备的Fe-NiO@NF放入管式炉中，载气上游放置0.1-1.0g升华硫，在氩气作保护气氛中，以1-10℃/min加热速率升温至250-500℃，并保温反应1-4h，得到Fe-NiO/NiS@NF电极材料；
(5)将步骤(2)得到Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，将步骤(4)得到的F-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF非对称电解池。
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|---|---|---|---|---|
| CN115341166A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-11-15 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种镍基硫化材料的制备方法 |
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2021
- 2021-08-25 CN CN202110977979.8A patent/CN113604818A/zh not_active Withdrawn
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| CN115341166A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-11-15 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种镍基硫化材料的制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20211105 |