一种异相磷化镍材料及其制备方法

1.本发明属于清洁可持续新型能源制备应用领域，特别涉及多相可调节磷化镍纳米珊瑚的合成方法并将其电催化分解水方面的应用。


背景技术：

2.为了满足不断增长的能源需求，和应对传统化石燃料的枯竭。寻求可持续、清洁、高效的能源势在必行。在各种替代能源转换策略中，包括阳极析氧反应 (oer)和阴极析氢反应(her)的电解水受到了人们的广泛关注。然而，目前商用的oer和her电催化剂分别是贵金属ir/ru基电催化剂和贵金属铂基贵金属电催化剂。最近的研究指出，此类电催化剂在强酸或强碱性电解液中长期运行的耐久性较差。
3.近年来，人们致力于寻找廉价的地球富集的电催化材料，如过渡金属碳化物、硫化物、硼化物、氮化物、和磷化物。其中，过渡金属磷化物作为新兴的非贵金属电催化剂的典型代表，在各种ph值下都得到了研究。其中磷化镍由于表面性质的改善和电子性能的改善，也被证明对水的分解具有很高的活性。
4.在已报道的磷化镍的相关文献中，多为ni2p为主导与其他非金属，金属，异质材料相互调节用于提高电催化活性。人们提出了各种调节工具，如元素掺杂、形态构造和异质结构，以促进催化过程。很少关注到不同相磷化镍的之间的相互作用。深入研究磷化镍各种不同相的催化活性，进一步提高磷化镍在her和oer 中的优势是具有重要科学意义的。
5.目前的ni2p因为在分解水过程中存在一定的不足，比如：对于活性氢的强吸附，气泡脱附较慢，催化活性低。本项发明从形貌与本征活性两个角度入手解决催化活性的瓶颈问题，精准合成复杂的纳米形貌增加催化反应的活性面积，异相混合优化材料的电子分布，实现构筑复杂催化界面的同时利用缺陷工程优化磷化镍在her，oer过程中的反应势垒，大大提高磷化镍电催化分解水的性能，促进磷化镍系列材料在工业催化方面的应用。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的不足，本发明提供一种高催化活性的异相磷化镍材料。
7.一方面，本发明提供的磷化镍纳米材料，其以泡沫镍为骨架，形成珊瑚状结构。这种复杂形貌具有很大的比表面积，增加大量的活性位点，珊瑚结构在催化形成h2和o2的过程中更加有利于气泡的脱附，防止气泡阻碍活性位点，有利于催化反应的持续进行。本发明的磷化镍纳米材料具有构建在泡沫镍骨架上的 ni2p/ni5p4混合相，且ni5p4掺杂碘。异相磷化镍之间相互调节电子分布，可优化催化反应过程的中间体的吸附，降低反应势垒。因此，该产品从形貌构筑和本证活性两个角度大幅度提高催化活性。
8.另一方面，本发明还提供上述异相磷化镍的制备方法，主要通过热处理过程中卤素碘在前驱体表面影响不同相磷化镍的形成趋势，碘的易升华特点可以保证碘在磷化镍形成前吸附在前驱体表面，在磷化形核的过程中碘进入到晶格中调节磷化镍的形成能，促使磷化镍在不同温度下形成不同的相结构，不同的相结构在形成过程中生长去向相互影响诱
导形成纳米珊瑚结构。
9.具体的，本方案包括如下步骤：
10.(1)将泡沫镍置于含有前驱体溶液的高压釜内衬中进行水热反应，所述前驱体溶液为：浓度为0.02-0.04m的ni(no3)2.6h2o、浓度为0.1-0.25m的nh4f 和0.1-0.3m浓度的尿素的混合水溶液；100-120℃范围内水热反应10小时后，用去离子水和乙醇清洗，以去除表面的吸附杂质，得到ni(oh)2/nf前体；
11.(2)将ni(oh)2/nf前体置于管式炉的下游，中游为一水合次亚磷酸钠，上游为碘颗粒，载气为氩气，350～450℃热处理2小时，自然冷却至室温取出，得到多相磷化镍珊瑚结构材料。
12.在某些实施例中，所述步骤2中，碘颗粒与一水合次亚磷酸钠的质量比为 0.5-1。
13.本发明的有益效果是：通过在热处理过程中易挥发卤素碘的优先吸附调节在磷化过程中不同相磷化物的形成趋势，形成的异相磷化镍且高比表面积的纳米珊瑚结构，从形貌构筑和本证活性两个角度大幅度提高电催化分解水的活性。
附图说明
14.图1是本发明制备的多相可调节磷化镍纳米珊瑚在不同热处理温度下(实施例1～2，对比例1～2)的x射线衍射谱。
15.图2是本发明制备的多相可调节磷化镍纳米珊瑚在不同热处理温度下(实施例1～2，对比例1～2)的扫描电镜图像。
16.图3是本发明制备的实施例五所合成的ni2p纳米片(对比例3)的扫描电镜图像。
17.图4是本发明制备的实施例六所合成的ni(oh)2@i(对比例4)的扫描电镜图像。
18.图5是本发明制备的多相可调节磷化镍纳米珊瑚(实施例1)与纯相ni2p(对比例3)和ni(oh)2@i(对比例4)作为析氢反应催化剂的电化学极化曲线。
19.图6是本发明制备的多相可调节磷化镍纳米珊瑚(实施例1)与纯相ni2p
20.(对比例3)和ni(oh)2@i(对比例4)作为析氧反应催化剂的电化学极化曲线。
具体实施方式
21.下面结合实施例对本发明作进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术解决方案的限制。
22.实施例1：
23.(1)泡沫镍(简写nf)首先被预处理以去除表面的油和氧化层。依次用 4m盐酸、丙酮、乙醇和蒸馏水进行超声清洗，并用ar气体高速气流进行干燥。
24.(2)ni(oh)2/nf前体的合成：将0.58g ni(no3)2.6h2o、0.15g nh4f和0.60g 尿素溶于30ml去离子水，剧烈搅拌20min，然后将混合物转移到高压锅中。将尺寸为2.5厘米
×
4厘米的泡沫镍浸入用于水热合成的高压釜内衬中。高压釜在 120℃下处理10小时。冷却到室温后，在泡沫镍的表面出现了明显的浅绿色物质，将其取出，用去离子水和乙醇清洗，以去除表面的吸附杂质。最后，在60℃的真空环境下干燥15小时。
25.(3)异相磷化镍纳米珊瑚的合成：将ni(oh)2/nf前驱体置于管式炉的下游，中游为0.8g一水合次亚磷酸钠，上游为0.8g碘颗粒(一水合次亚磷酸钠和碘颗粒需要用锡纸包裹
在瓷舟内部，上方开小孔)，载气为氩气，350℃热处理2小时，自然冷却至室温取出。
26.实施例2：同实施例1，区别在于：热处理温度改为450℃。
27.对比例1：同实施例1，区别在于：热处理温度改为250℃。
28.对比例2：同实施例1，区别在于：热处理温度改为550℃。
29.图1是实施例1和2以及对比例1和2得到的多相可调节磷化镍纳米珊瑚在不同热处理温度下的x射线衍射谱。在250℃处理温度下(对比例1)，磷化作用较弱依旧保持前驱体的晶体结构并且表面吸附了大量的碘。在350℃(实施例 1)～450℃(实施例2)处理温度下，产生ni2p和ni5p4的混合相，比例在0.8～1.4 之间。550℃处理温度下(对比例2)，演变为ni2p，ni5p4,ni
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p5三相的混合相。这是在之前各类相关报道中没有发现的，在没有卤素碘的调节下是无法形成的，这代表碘对于ni5p4、ni
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p5的形成有重要的调节诱导作用。结合实施例1和2 得到的产物xrd图谱(ni5p4的特征峰出现一定程度上的偏移，这是因为碘的掺杂带来的)，可以看出，诱导ni5p4、ni
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p5形成的碘掺杂于其中，而不受碘诱导的ni2p则不发生特征峰偏移，没有碘的掺杂。
30.我们对上述实施例1和2的产物进行了edx元素分析，碘均匀分布。
31.图2是本发明制备的多相可调节磷化镍纳米珊瑚在不同热处理温度下的扫描电镜图像。可以看出，在350摄氏度下形成珊瑚状结构。450℃(实施例2) 条件下依旧维持珊瑚状结构，相比于350℃，可以观察到纳米珊瑚出现团聚的趋势；550℃(对比例2)团聚严重。由此可见，在卤素碘的调控作用下形成的纳米珊瑚的形貌受到温度的影响，温度过高时有产生形貌坍塌的趋势。复杂的纳米珊瑚形貌为电催化分解水过程中提供了反应界面和大量的活性位点，并通过多相协同提高本证催化活性。
32.图5本发明制备的多相可调节磷化镍纳米珊瑚(实施例1)与纯相ni2p和前驱体作为析氢反应催化剂的电化学极化曲线。采用多相磷化镍纳米珊瑚作为阴极，以氩气饱和的1m koh作为电解液进行her的测试。如图3所示，相比于纯相ni2p和ni(oh)2@i，多相磷化镍纳米珊瑚有更加优异的析氢催化活性，达到10ma/cm2的电流密度时，过电势仅为48mv。
33.图6是本发明制备的多相可调节磷化镍纳米珊瑚(实施例1)与纯相ni2p 和前驱体作为析氧反应催化剂的电化学极化曲线。采用多相磷化镍纳米珊瑚作为阳极，以氩气饱和的1m koh作为电解液进行oer的测试。
34.如图4所示，相比于纯相ni2p和ni(oh)2@i，多相磷化镍纳米珊瑚有更加优异的析氧催化活性，达到10ma/cm2的电流密度时，过电势仅为163mv。
35.对比例3：
36.(1)泡沫镍(简写nf)首先被预处理以去除表面的油和氧化层。依次用 4m盐酸、丙酮、乙醇和蒸馏水进行超声清洗，并用ar气体高速气流进行干燥。
37.(2)ni(oh)2/nf前体的合成：将0.174g ni(no3)2.6h2o、0.11g nh4f和 0.18g尿素溶于30ml去离子水，剧烈搅拌20min，然后将混合物转移到高压锅中。将尺寸为2.5厘米
×
4厘米的泡沫镍浸入用于水热合成的高压釜内衬中。高压釜在120℃下处理10小时。冷却到室温后，在泡沫镍的表面出现了明显的浅绿色物质，将其取出，用去离子水和乙醇清洗，以去除表面的吸附杂质。最后，在 60℃的真空环境下干燥15小时。
38.(3)ni2p/nf的合成：ni(oh)2/nf前体也被置于管式炉的下游。0.8gnah2po2.h2o单独作为上游原料，载气为氩气，350℃热处理2小时，自然冷却至室温取出。
39.图3是本发明制备的对比例3所合成的ni2p纳米片的扫描电镜图像。在没有碘存在的氛围下磷化处理所得到的纳米片为简单的多孔纳米片，说明碘的重要调控作用，碘是形成多相可调节磷化镍纳米珊瑚的必要因素。且本例所合成的样品在her，oer过程中的催化活性相比多相可调节磷化镍纳米珊瑚(实施例1) 也具有明显的不足，证明了碘的引入对于催化活性提升的重要意义。
40.对比例4：
41.(1)泡沫镍(简写nf)首先被预处理以去除表面的油和氧化层。依次用 4m盐酸、丙酮、乙醇和蒸馏水进行超声清洗，并用ar气体高速气流进行干燥。
42.(2)ni(oh)2/nf前体的合成：将0.35g ni(no3)2.6h2o、0.28g nh4f和0.54g 尿素溶于30ml去离子水，剧烈搅拌20min，然后将混合物转移到高压锅中。将尺寸为2.5厘米
×
4厘米的泡沫镍浸入用于水热合成的高压釜内衬中。高压釜在 120℃下处理10小时。冷却到室温后，在泡沫镍的表面出现了明显的浅绿色物质，将其取出，用去离子水和乙醇清洗，以去除表面的吸附杂质。最后，在60℃的真空环境下干燥15小时。
43.(3)ni(oh)2@i/nf的合成：ni(oh)2/nf前体也被置于管式炉的下游。0.8g 碘颗粒单独作为上游原料，载气为氩气，350℃热处理2小时，自然冷却至室温取出。
44.图4是本发明制备的实施例六所合成的ni(oh)2@i的扫描电镜图像。在没有一水合次亚磷酸钠提供p源的条件下，碘以层状的形式覆盖在前驱体表面，无法实现纳米珊瑚的精准构筑。证明碘调控的方式需要配合ph3气体共同完成。
45.通过以上实施例1和2以及对比例1～4可以看出，通过热处理过程中卤素碘在前驱体表面影响不同相磷化镍的形成趋势，碘的易升华特点可以保证碘在磷化镍形成前吸附在前驱体表面，在磷化形核的过程中碘进入到晶格中调节磷化镍的形成能，促使磷化镍在不同温度下形成不同的相结构，不同的相结构在形成过程中生长去向相互影响诱导形成纳米珊瑚结构。
46.实施例3
47.(1)泡沫镍(简写nf)首先被预处理以去除表面的油和氧化层。依次用 4m盐酸、丙酮、乙醇和蒸馏水进行超声清洗，并用ar气体高速气流进行干燥。
48.(2)ni(oh)2/nf前体的合成：将ni(no3)2.6h2o、nh4f和尿素以浓度0.02m、0.1m、0.1m溶于30ml去离子水，剧烈搅拌20min，然后将混合物转移到高压锅中。将尺寸为2.5厘米
×
4厘米的泡沫镍浸入用于水热合成的高压釜内衬中。高压釜在100℃下处理10小时。冷却到室温后，在泡沫镍的表面出现了明显的浅绿色物质，将其取出，用去离子水和乙醇清洗，以去除表面的吸附杂质。最后，在60℃的真空环境下干燥15小时。
49.(3)磷化镍纳米珊瑚的合成：将ni(oh)2/nf前驱体置于管式炉的下游，中游为0.8g一水合次亚磷酸钠，上游为0.4g碘颗粒(一水合次亚磷酸钠和碘颗粒需要用锡纸包裹在瓷舟内部，上方开小孔)，载气为氩气，400℃热处理2小时，自然冷却至室温取出。
50.x射线衍射谱显示，本实施例得到的产物具有ni2p的特征峰和微弱偏移的 ni5p4特征峰，经计算，其比例在1.13；edx元素分析证明了碘的均匀分布。扫描电镜下，显示明显的珊瑚状结构。采用多相磷化镍纳米珊瑚作为阴极，以氩气饱和的1m koh作为电解液进行her的测试，达到10ma/cm2的电流密度时，过电势仅为69mv。
51.实施例4
52.(1)泡沫镍(简写nf)首先被预处理以去除表面的油和氧化层。依次用 4m盐酸、丙酮、乙醇和蒸馏水进行超声清洗，并用ar气体高速气流进行干燥。
53.(2)ni(oh)2/nf前体的合成：将ni(no3)2.6h2o、nh4f和尿素以浓度 0.04m、0.25m、0.3m溶于30ml去离子水，剧烈搅拌20min，然后将混合物转移到高压锅中。将尺寸为2.5厘米
×
4厘米的泡沫镍浸入用于水热合成的高压釜内衬中。高压釜在100℃下处理10小时。冷却到室温后，在泡沫镍的表面出现了明显的浅绿色物质，将其取出，用去离子水和乙醇清洗，以去除表面的吸附杂质。最后，在60℃的真空环境下干燥15小时。
54.(3)磷化镍纳米珊瑚的合成：将ni(oh)2/nf前驱体置于管式炉的下游，中游为0.8g一水合次亚磷酸钠，上游为0.5g碘颗粒(一水合次亚磷酸钠和碘颗粒需要用锡纸包裹在瓷舟内部，上方开小孔)，载气为氩气，400℃热处理2小时，自然冷却至室温取出。
55.x射线衍射谱显示，本实施例得到的产物具有ni2p的特征峰和微弱偏移的 ni5p4特征峰，，经计算，其比例在0.97；edx元素分析证明了碘的均匀分布。扫描电镜下，显示明显的珊瑚状结构。采用多相磷化镍纳米珊瑚作为阴极，以氩气饱和的1m koh作为电解液进行her的测试，达到10ma/cm2的电流密度时，过电势为118mv。
56.本发明实现了通过热处理过程中卤素在纳米片表面影响不同相磷化镍的形成趋势，在不同温度下可形成ni2p，ni5p4混合相纳米珊瑚结构，形成复杂的纳米珊瑚形貌的同时，多组分磷化镍之间的协同作用下在析氢和析氧催化反应中都表现优异的催化活性，推动磷化镍这一过渡金属磷化物在分解水领域的进一步应用。