本發(fā)明屬于電催化材料，具體涉及一種用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大量使用化石燃料進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體，導(dǎo)致全球變暖和環(huán)境污染，對(duì)地球的生態(tài)平衡構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，迫切需要開發(fā)先進(jìn)的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)來生產(chǎn)綠色可再生能源。氫氣是一種很有吸引力的化石燃料替代品，因?yàn)樗膯挝荒芰棵芏群芨摺⑷紵鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣瓤?、點(diǎn)火能量低、轉(zhuǎn)化效率高，而且氫氣可以被視作一種“絕對(duì)”清潔的無碳源輸出的燃料。此外，氫氣也是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中制造增值化學(xué)品的重要原料，其廣泛應(yīng)用于co2轉(zhuǎn)化、碳?xì)浠衔镏卣约肮痰裙I(yè)產(chǎn)業(yè)中。

2、相比于化石燃料制氫所得的氫氣純度不佳、工業(yè)副產(chǎn)物制氫受限于原料供應(yīng)以及生物質(zhì)制氫技術(shù)不成熟且轉(zhuǎn)化率低等短板，電化學(xué)制氫已成為有效解決以上傳統(tǒng)制氫方法弊端的一種前瞻性解決方案，其優(yōu)點(diǎn)是制氫原料來源簡(jiǎn)單，可大規(guī)模應(yīng)用且制得的氫氣純度很高，無需后續(xù)提純處理即可直接使用。

3、電解水制氫可以被分解為四電子轉(zhuǎn)移過程的陽(yáng)極析氧反應(yīng)(oer)和二電子轉(zhuǎn)移過程的陰極析氫反應(yīng)(her)。相比于her，oer是一個(gè)復(fù)雜的多步驟電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，伴隨著不同氧中間體的吸脫附。為了提高水分解的效率，需要使用貴金屬制成的電極材料，例如用于her的pt/c和用于oer的ruo2或iro2。然而，這些材料不僅昂貴稀有，而且穩(wěn)定性也不盡人意，大大限制了其在電催化水裂解中的應(yīng)用。因此，開發(fā)低成本、高性能的水裂解電極材料一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。過渡金屬基電極材料因其活性高，成本低等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為具有很大潛力與貴金屬競(jìng)爭(zhēng)。

4、泡沫鎳(nf)是一種在鎳基體上均勻分布大量連通孔洞的新型多功能材料。泡沫鎳的導(dǎo)電性和延展性好，許多研究者將其用作制備電解水的基底材料，但由于泡沫鎳催化位點(diǎn)在富含氯的海水環(huán)境中容易快速降解，導(dǎo)致操作時(shí)間有限，這限制了它的廣泛應(yīng)用。有文獻(xiàn)報(bào)道了通過采用液態(tài)脈沖激光燒蝕(plal)和電沉積技術(shù)，制備了與激光燒蝕的磷酸鐵鋰(ni(oh)2/l-lfp)相互作用的氫氧化鎳，其改性nf的方法需要復(fù)雜、耗時(shí)和耗能的工序(angew.chem.int.ed.2024,e202410396)。此外，一些制備過程，如硫化和磷化，甚至涉及有毒的含硫或含磷氣體(small?2021,17?2101725)。因此，快速簡(jiǎn)便地大規(guī)模制備性能優(yōu)良且穩(wěn)定的ni基電極材料仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的首要目的是提供一種用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料的制備方法。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供上述制備方法制備得到的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料。

3、本發(fā)明的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。

4、本發(fā)明提供一種用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料的制備方法，該制備方法包括：首先將泡沫鎳浸沒在鹽酸中超聲；將得到的泡沫鎳直接浸沒在過渡金屬鹽溶液中發(fā)生離子交換反應(yīng)；將離子交換后的樣品通過短時(shí)間低溫?zé)Y(jié)，得到所述用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料。

5、本發(fā)明提供一種通過簡(jiǎn)單離子交換構(gòu)建用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料的制備方法，具體包括如下步驟：

6、(1)將泡沫鎳浸沒于鹽酸中超聲以去除表面污漬，提升泡沫鎳表面親水性；

7、(2)將步驟(1)所得的泡沫鎳浸沒在過渡金屬鹽溶液中進(jìn)行離子交換反應(yīng)，每隔一定時(shí)間進(jìn)行攪拌以保證充分進(jìn)行離子交換反應(yīng)，取出，得到過渡金屬離子修飾在泡沫鎳表面的電極前驅(qū)體；

8、(3)將步驟(2)所述過渡金屬離子修飾在泡沫鎳表面的電極前驅(qū)體短時(shí)間低溫?zé)Y(jié)，得到所述鎳基電極材料。

9、進(jìn)一步地，步驟(1)所述鹽酸的質(zhì)量百分比濃度為8％-15％。

10、優(yōu)選地，步驟(1)所述鹽酸的質(zhì)量百分比濃度為10％。

11、進(jìn)一步地，步驟(1)所述超聲的時(shí)間為30-60min。超聲功率為250-300w。

12、優(yōu)選地，步驟(1)所述超聲的時(shí)間為30min。超聲功率為250w。

13、進(jìn)一步地，步驟(2)所述過渡金屬鹽溶液為硝酸鐵溶液。

14、進(jìn)一步地，步驟(2)所述過渡金屬鹽溶液的濃度為1-100mm。

15、優(yōu)選地，步驟(2)所述過渡金屬鹽溶液的濃度為5mm。

16、進(jìn)一步地，步驟(2)所述離子交換反應(yīng)在室溫下進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間為30-60min。

17、優(yōu)選地，步驟(2)所述離子交換反應(yīng)的時(shí)間為30min。

18、進(jìn)一步地，步驟(2)中離子交換反應(yīng)過程中每隔5-10min進(jìn)行攪拌以保證充分進(jìn)行離子交換反應(yīng)。

19、優(yōu)選地，步驟(2)中離子交換反應(yīng)過程中每隔5min進(jìn)行攪拌以保證充分進(jìn)行離子交換反應(yīng)。

20、進(jìn)一步地，步驟(3)所述燒結(jié)的操作為：將過渡金屬離子修飾在泡沫鎳表面的電極前驅(qū)體轉(zhuǎn)入坩堝之中，隨后在真空烘箱中短時(shí)間低溫?zé)Y(jié)。

21、進(jìn)一步地，步驟(3)所述燒結(jié)的溫度為200-300℃。

22、優(yōu)選地，步驟(3)所述燒結(jié)的溫度為200℃。

23、進(jìn)一步地，步驟(3)所述燒結(jié)的時(shí)間為2-4h。

24、優(yōu)選地，步驟(3)所述燒結(jié)的時(shí)間為3h。

25、本發(fā)明提供一種由上述制備方法制得的通過簡(jiǎn)單離子交換構(gòu)建用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料。

26、本發(fā)明利用過渡金屬離子交換泡沫鎳表面的鎳，快速地在泡沫鎳表面修飾上活性元素，制備出可用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料。本發(fā)明方法具有制備流程簡(jiǎn)單，制備過程無毒無害，制備成本低，制備方法普適性強(qiáng)，制備過程靈活可控，可大規(guī)模批量生產(chǎn)，所得電極材料成分容易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，通過本發(fā)明優(yōu)選條件所制備的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料具有優(yōu)異的全解海水反應(yīng)催化活性及穩(wěn)定性，有效改善了現(xiàn)有ni基電極材料在堿性電解質(zhì)中因自溶解而導(dǎo)致電解穩(wěn)定性較差的問題。

27、將本發(fā)明所得用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料同時(shí)作為陽(yáng)極和陰極組裝成全電解池進(jìn)行全解海水實(shí)驗(yàn)，在1.90v電壓下即可產(chǎn)生100ma/cm2的電流，組裝的全解海水電解槽可在500ma/cm2的大電流密度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電解真實(shí)海水700h，電位無明顯衰減。

28、本發(fā)明方法制備的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料，不僅在電解海水中具有高效析氧及析氫活性，對(duì)于普通水源也同樣適用。由于在普通水源中無氯離子存在，則不會(huì)反應(yīng)導(dǎo)致高腐蝕性次氯酸根的生成，其電解穩(wěn)定性也會(huì)更加優(yōu)異。

29、現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

30、(1)本發(fā)明提供的通過簡(jiǎn)單離子交換構(gòu)建的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料，其原料成本低廉，不需要長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)Y(jié)，生產(chǎn)過程中能耗較低，生產(chǎn)成本低。

31、(2)本發(fā)明提供的通過簡(jiǎn)單離子交換構(gòu)建的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料，其制備方法采用離子交換的策略，可用于制備不同過渡金屬元素比例的復(fù)合電極材料，對(duì)不同反應(yīng)仍具有很大的開發(fā)潛力。

32、(3)本發(fā)明提供的通過簡(jiǎn)單離子交換構(gòu)建的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料，其制備過程簡(jiǎn)單易行，制備周期短暫，能夠大規(guī)模生產(chǎn)，具有商業(yè)化的前景。

33、(4)本發(fā)明提供的通過簡(jiǎn)單離子交換構(gòu)建的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料，其制備過程不會(huì)產(chǎn)生任何有毒氣體，綠色環(huán)保無污染。

34、(5)本發(fā)明提供的通過簡(jiǎn)單離子交換構(gòu)建的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料，其制備方法利用過渡金屬離子易于交換泡沫鎳表面的鎳，快速地在泡沫鎳表面修飾上活性元素，通過低溫?zé)Y(jié)形成了過渡金屬離子修飾的泡沫鎳基電極材料。

35、(6)本發(fā)明提供的通過簡(jiǎn)單離子交換構(gòu)建的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料具有良好活性，其用于oer在100ma/cm2的電流密度下的過電位為314mv，其用于her在100ma/cm2的電流密度下的過電位為338mv。將所得鎳基電極材料作為陽(yáng)極電極材料組裝成電解池進(jìn)行電解海水實(shí)驗(yàn)，在1.90v電壓下即可產(chǎn)生100ma/cm2的電流。

36、(7)本發(fā)明提供的通過簡(jiǎn)單離子交換構(gòu)建的用于真實(shí)海水體系下穩(wěn)定電解產(chǎn)氫的鎳基電極材料還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，在500ma/cm2的大電流密度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電解真實(shí)海水700h，電解池電壓幾乎不變。