本發(fā)明涉及納米片材料的，具體涉及一種有序排列層狀納米片材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氫能由于具有綠色低碳、來(lái)源廣泛的特點(diǎn)被認(rèn)為是全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。電解水制氫是通過(guò)將水電解成氫氣和氧氣，安全無(wú)污染，被認(rèn)為是最有前景的制氫方式。然而，現(xiàn)階段電解水效率低、催化電極昂貴導(dǎo)致其很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫應(yīng)用。因此開(kāi)發(fā)高效、低廉的催化劑以降低反應(yīng)能壘、提高電解效率對(duì)于加速推動(dòng)氫能應(yīng)用至關(guān)重要。

2、目前所報(bào)道的催化劑通過(guò)引入缺陷、原子摻雜、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等策略以提高材料本征催化活性，進(jìn)而降低反應(yīng)過(guò)電位。然而需要注意的是，盡管這些催化劑具有高本征催化活性，但在大電流密度下催化性能差強(qiáng)人意，與工業(yè)生產(chǎn)要求（500?ma/cm2-2500?ma/cm2）仍有較大差距。這主要是由于在大電流密度下催化劑界面產(chǎn)生大量的氣體，占據(jù)活性位點(diǎn)并阻礙傳質(zhì)，導(dǎo)致電解水的效率大大降低；同時(shí)，氣泡容易聚集，大氣泡排出過(guò)程對(duì)催化劑產(chǎn)生巨大力學(xué)沖擊，降低運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，調(diào)節(jié)氣泡-電解液-催化劑三者三相界面，提高大電流密度下催化劑傳質(zhì)效率對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效工業(yè)電解水制氫至關(guān)重要。

3、如何設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)具有高催化活性及高傳質(zhì)效率的催化劑仍是電解水制氫領(lǐng)域一大挑戰(zhàn)。為此本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N有序排列層狀納米片材料及其制備方法和應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)公開(kāi)了一種有序排列層狀納米片材料及其制備方法和應(yīng)用，通過(guò)機(jī)械制樣及選擇性暴露晶面的策略調(diào)節(jié)納米片有序生長(zhǎng)，在納米片材料中構(gòu)筑氣體通路進(jìn)而實(shí)現(xiàn)納米片材料在工業(yè)級(jí)電流密度下高效電解水，本申請(qǐng)所述的有序排列層狀納米片材料具有優(yōu)異的催化活性，能夠在大電流密度下長(zhǎng)期穩(wěn)定服役，解決了傳統(tǒng)催化劑在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮大電流密度下氣體-電解液-催化劑三相界面的復(fù)雜相互作用，其結(jié)構(gòu)無(wú)法有效促進(jìn)氣體和液體的快速傳輸，也難以承受氣泡排出的沖擊的問(wèn)題。

2、本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N有序排列層狀納米片材料的制備方法，包括以下步驟：

4、s1.對(duì)基底進(jìn)行表面處理，獲得處理后的基底；

5、s2.制備晶面調(diào)節(jié)溶液

6、將處理后的基底置于晶面調(diào)節(jié)溶液中反應(yīng)，以暴露晶面，獲得暴露晶面的基底；

7、其中，在每升所述晶面調(diào)節(jié)溶液中，包括以下原料：

8、0.1-6mol蝕刻酸、0.1-2mol晶面抑制劑、0.05-0.2mol穩(wěn)定劑；

9、s3.配置含金屬離子的電鍍液

10、在每升所述含金屬離子的電鍍液中，包括以下原料：

11、0.1-1.5mol金屬鹽、0.05-0.2mol絡(luò)合劑、0.1-0.5mol緩沖劑；

12、s4.電沉積處理

13、以未處理的基底作為第一工作陽(yáng)極，以暴露晶面的基底作為陰極；將陽(yáng)極和陰極，置于步驟s3所述含金屬離子的電鍍液的電解槽中，進(jìn)行電沉積處理，得到有序排列層狀納米片材料。

14、在一些具體實(shí)施方式中，在步驟s1中，所述基底進(jìn)行表面處理的過(guò)程為：

15、用砂紙對(duì)基底分別進(jìn)行單一方向的粗磨和細(xì)磨，粗磨砂紙目數(shù)為100-500目，細(xì)磨砂紙目數(shù)為1000-3000目，先粗磨再細(xì)磨，控制粗磨與細(xì)磨的打磨方向相同，打磨后基底表面呈現(xiàn)平行微米條紋分布，得到處理后的基底。

16、在一些具體實(shí)施方式中，所述基底為ni片、ti片、不銹鋼片、金屬泡沫ni、泡沫fe、泡沫cu中的任一種。

17、在一些具體實(shí)施方式中，在步驟s2中，所述的蝕刻酸為鹽酸、硝酸、硫酸、草酸中的任一種或者任幾種；所述晶面抑制劑為氰化鉀、焦磷酸鉀、聚乙烯亞胺、油酸、磷酸單十二烷基酯鈉鹽中的任一種或者任幾種；所述穩(wěn)定劑為鉛離子、砷離子、鉬離子、鎘離子、釷離子、硫脲中的任一種或者任幾種。

18、在一些具體實(shí)施方式中，在步驟s3中，所述金屬離子為鎳離子、鐵離子、鈷離子、鉬離子、鑭離子、鈰離子、銪離子中的任一種或者任幾種；所述的絡(luò)合劑為焦磷酸鹽、氯化銨、氨三乙酸鹽，三乙醇胺、乙二胺、檸檬酸鹽中的任一種或者任幾種；所述緩沖劑為硼酸、乙酸-乙酸鹽、次磷酸鈉、氨水-銨鹽中的任一種或者任幾種。

19、在一些具體實(shí)施方式中，在步驟s4中，含金屬離子的電鍍液的工作溫度為40-80℃，陽(yáng)極與陰極的距離為0.5-2.0cm；進(jìn)行電沉積，通入電流密度為10-60ma/cm2，電沉積時(shí)間為5-40min。

20、在一些具體實(shí)施方式中，在步驟s3中，金屬鹽、絡(luò)合劑、緩沖劑的摩爾比為1:0.2-1.2:0.5-5.0。

21、第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N納米片材料，為根據(jù)第一方面所述制備方法制得。

22、在一些具體實(shí)施方式中，所述納米片材料的厚度為10-150nm；所述納米片材料的內(nèi)部為導(dǎo)電合金晶體相，所述納米片材料的外部為金屬氧化物與氫氧化物。

23、第三方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N應(yīng)用，將第二方面所述的納米片材料或者第一方面所述制備方法制備得到的納米片材料，用于電解水領(lǐng)域。

24、本申請(qǐng)的有益效果是：

25、本申請(qǐng)所述的制備方法，納米片的有序排列是由應(yīng)力及晶面選擇性暴露誘導(dǎo)得到的，而層狀納米片是在經(jīng)應(yīng)力誘導(dǎo)及晶面暴露的導(dǎo)電基底上施加恒定電流電沉積獲得的。層狀納米片中鎳合金、鎳鐵合金或者多種金屬合金及金屬氫氧化物具備優(yōu)異的電導(dǎo)率及較為優(yōu)異的析氧反應(yīng)中間體吸附能，使納米片具有高本征催化活性；此外，密集排列的納米片為電解水反應(yīng)提供了大量活性位點(diǎn)；更重要的是，納米片的有序排列為氣體、液體的快速傳輸提供了通道，能夠有效避免在大電流密度下催化劑表面氣體大量聚集進(jìn)而使得催化位點(diǎn)被占用及傳質(zhì)效率降低的問(wèn)題，能夠在大的電流密度下500-1000?ma/cm2長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)高效電解水。

26、本申請(qǐng)制備得到的有序排列層狀納米片材料，尺寸均勻，高度取向，納米片平均尺寸為數(shù)微米到幾十微米、厚度為10-150?nm，納米片內(nèi)部是導(dǎo)電優(yōu)異的合金晶體相，外部是高催化活性金屬氧化物與氫氧化物，同時(shí)納米片的有序排列提供了氣體和液體快速傳輸通道，因此有序排列層狀納米片材料不僅在小電流密度下具有優(yōu)異的催化活性，而且在工業(yè)級(jí)大電流密度下仍具有出色的催化活性，并且能夠在大電流密度下長(zhǎng)期穩(wěn)定服役，可用于工業(yè)電解水領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種有序排列層狀納米片材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在步驟s1中，所述基底進(jìn)行表面處理的過(guò)程為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述基底為ni片、ti片、不銹鋼片、金屬泡沫ni、泡沫fe、泡沫cu中的任一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序排列層狀納米片材料的制備方法，其特征在于，在步驟s2中，所述的蝕刻酸為鹽酸、硝酸、硫酸、草酸中的任一種或者任幾種；所述晶面抑制劑為氰化鉀、焦磷酸鉀、聚乙烯亞胺、油酸、磷酸單十二烷基酯鈉鹽中的任一種或者任幾種；所述穩(wěn)定劑為鉛離子、砷離子、鉬離子、鎘離子、釷離子、硫脲中的任一種或者任幾種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序排列層狀納米片材料的制備方法，其特征在于，在步驟s3中，所述金屬離子為鎳離子、鐵離子、鈷離子、鉬離子、鑭離子、鈰離子、銪離子中的任一種或者任幾種；所述的絡(luò)合劑為焦磷酸鹽、氯化銨、氨三乙酸鹽，三乙醇胺、乙二胺、檸檬酸鹽中的任一種或者任幾種；所述緩沖劑為硼酸、乙酸-乙酸鹽、次磷酸鈉、氨水-銨鹽中的任一種或者任幾種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序排列層狀納米片材料的制備方法，其特征在于，在步驟s4中，含金屬離子的電鍍液的工作溫度為40-80℃，陽(yáng)極與陰極的距離為0.5-2.0cm；進(jìn)行電沉積，通入電流密度為10-60ma/cm2，電沉積時(shí)間為5-40min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有序排列層狀納米片材料的制備方法，其特征在于，在步驟s3中，金屬鹽、絡(luò)合劑、緩沖劑的摩爾比為1:0.2-1.2:0.5-5.0。

8.一種納米片材料，其特征在于，為權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述制備方法制得。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的納米片材料，其特征在于，所述納米片材料的厚度為10-150nm；所述納米片材料的內(nèi)部為導(dǎo)電合金晶體相，所述納米片材料的外部為金屬氧化物與氫氧化物。

10.一種應(yīng)用，其特征在于，將權(quán)利要求8-9任一項(xiàng)所述的納米片材料或者權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述制備方法制備得到的納米片材料，用于電解水領(lǐng)域。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及納米片材料的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種有序排列層狀納米片材料及其制備方法和應(yīng)用。本申請(qǐng)公開(kāi)了一種有序排列層狀納米片材料的制備方法，包括以下步驟：S1.對(duì)基底進(jìn)行表面處理，獲得處理后的基底；S2.制備晶面調(diào)節(jié)溶液，將處理后的基底置于晶面調(diào)節(jié)溶液中反應(yīng)，以暴露晶面，獲得暴露晶面的基底；S3.配置含金屬離子的電鍍液；S4.電沉積處理，進(jìn)行電沉積處理，得到有序排列層狀納米片材料。本申請(qǐng)的納米片材料具有優(yōu)異的催化活性，能夠在大電流密度下長(zhǎng)期穩(wěn)定服役，解決了傳統(tǒng)催化劑其結(jié)構(gòu)無(wú)法有效促進(jìn)氣體和液體的快速傳輸，也難以承受氣泡排出的沖擊的問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：楊誠(chéng),王璐萌,廖蓬,陳麗杰,陳有孝,呂國(guó)愛(ài)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中集海洋工程有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15