Ni-Fe-P纳米材料的制备及其电催化析氧性能研究

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氢气作为传统化石燃料的替代品之一,其主要制备方法包括电解水制氢。而电解水产氢效率受制于产氢过程中较高的析氧过电势。虽然,贵金属析氧催化剂具有优异的析氧催化性能,但其价格昂贵,储量稀少。因而,开发廉价、高效的非贵金属析氧催化剂是提高电解水制氢效率的可行之径。在非贵金属催化剂中,铁镍双金属磷化物(Ni-Fe-P)由于具有储量丰富、廉价、电催化析氧性能高的优点而广受研究者们的青睐。然而,目前制备铁镍金属磷化物的方法具有耗能高,反应步骤复杂等缺点,并且目前文献报道的铁镍双金属磷化物的析氧催化性能还需进一步提高。基于此,本文主要开展了以下两方面工作:(1)通过一步低温煅烧磷化法,利用铁镍合金本身具有的镍元素和铁元素在三维多孔铁镍合金表面原位合成了铁镍金属磷化物(Ni-Fe-P)。通过形貌表征和元素组成分析结果得出合成的Ni-Fe-P催化剂为纳米片状结构,由四方晶型的FeNi2P组成。电化学测试结果表明,当电流密度为20 mA cm-2时,Ni-Fe-P的过电位为275mV,塔菲尔斜率(Tafel)为78 mV dec-1,催化活性优于最近文献报道的铁镍双金属催化剂和商业IrO2催化剂。同时,经过1000圈的循环伏安法测试后,其析氧过电位几乎没有发生变化;48小时的计时电压测试后电压变化仅小于4%,这均证明催化剂具有优异的稳定性。这种优异的催化性能可归因于在铁镍合金基底上原位合成了具有疏气性能的Ni-Fe-P和催化剂本身具有的良好导电性特征。(2)通过一步电沉积法在三维多孔泡沫镍(NF)基底上原位生长一层铁镍金属磷化物。通过形貌表征和元素组成分析结果得出这层铁镍金属磷化物为无定形多孔纳米球状结构的Ni-Fe-P。得益于催化剂Ni-Fe-P/NF中镍元素和铁元素的协同作用、材料本身具有的无定形多孔结构以及催化剂具有的超疏气性能和自支撑结构,所制备Ni-Fe-P/NF催化剂在碱性介质中具有优异的析氧催化性能。电化学测试结果表明,Ni-Fe-P/NF催化剂在碱性电解质溶液中当电流密度为10 mA cm-2时,过电位仅为156 mV,Tafel斜率为69 mV dec-1,36小时的计时电压测试后电压值变化小于2%,催化性能优于最近文献报道的金属磷化物催化剂和商业IrO2催化剂。此外,对稳定性测试后Ni-Fe-P/NF催化剂的元素组成研究表明,在析氧反应过程中生成了活性物质NiOOH和FePO4,这两种物质均有利于提高催化剂的催化性能。
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