CN111215110B - 一种N-NiMoO4/Ni3N电极材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种N-NiMoO4/Ni3N电极材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111215110B CN111215110B CN202010032065.XA CN202010032065A CN111215110B CN 111215110 B CN111215110 B CN 111215110B CN 202010032065 A CN202010032065 A CN 202010032065A CN 111215110 B CN111215110 B CN 111215110B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nimoo
- electrode material
- nickel
- ammonia gas
- condition
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 229910005809 NiMoO4 Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 51
- 229910003218 Ni3N Inorganic materials 0.000 title claims description 34
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 189
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 62
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 58
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 18
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 17
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 15
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 13
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 13
- 229910021508 nickel(II) hydroxide Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 13
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 10
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 10
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- KBJMLQFLOWQJNF-UHFFFAOYSA-N nickel(ii) nitrate Chemical group [Ni+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O KBJMLQFLOWQJNF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 7
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 7
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 6
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 claims description 5
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 5
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims description 4
- 150000002815 nickel Chemical class 0.000 claims description 3
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 3
- APUPEJJSWDHEBO-UHFFFAOYSA-P ammonium molybdate Chemical group [NH4+].[NH4+].[O-][Mo]([O-])(=O)=O APUPEJJSWDHEBO-UHFFFAOYSA-P 0.000 claims description 2
- 229940010552 ammonium molybdate Drugs 0.000 claims description 2
- 235000018660 ammonium molybdate Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000011609 ammonium molybdate Substances 0.000 claims description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims 1
- 150000002751 molybdenum Chemical class 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 11
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010189 synthetic method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 abstract 1
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000004502 linear sweep voltammetry Methods 0.000 description 4
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 4
- QIVUCLWGARAQIO-OLIXTKCUSA-N (3s)-n-[(3s,5s,6r)-6-methyl-2-oxo-1-(2,2,2-trifluoroethyl)-5-(2,3,6-trifluorophenyl)piperidin-3-yl]-2-oxospiro[1h-pyrrolo[2,3-b]pyridine-3,6'-5,7-dihydrocyclopenta[b]pyridine]-3'-carboxamide Chemical class C1([C@H]2[C@H](N(C(=O)[C@@H](NC(=O)C=3C=C4C[C@]5(CC4=NC=3)C3=CC=CN=C3NC5=O)C2)CC(F)(F)F)C)=C(F)C=CC(F)=C1F QIVUCLWGARAQIO-OLIXTKCUSA-N 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000010335 hydrothermal treatment Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 3
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000010257 thawing Methods 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
- B01J27/24—Nitrogen compounds
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/33—Electric or magnetic properties
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
- C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
- C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
- C25D5/48—After-treatment of electroplated surfaces
- C25D5/50—After-treatment of electroplated surfaces by heat-treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D9/00—Electrolytic coating other than with metals
- C25D9/04—Electrolytic coating other than with metals with inorganic materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Abstract
本发明提供一种N‑NiMoO4/Ni3N电极材料及其制备方法和应用,该电极材料为以泡沫镍为载体的三维纳米棒状结构,载体上生长有掺杂氮的结晶性NiMoO4并附着有结晶性Ni3N。在N‑NiMoO4上负载Ni3N,可以极大提高其材料的导电性和吸附水的能力,有利于分解水产氢的进行,很大程度上降低了产氢所需的过电位和能量损耗。同时本发明合成方法简单,因此可以大规模工业化生产,有着实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电催化分解水制氢气以及能源技术领域,具体涉及一种 N-NiMoO4/Ni3N电极材料及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
自工业革命以来,人类社会正在飞速发展,同样人类对于不可再生能源的使用也与日俱增,但是过度使用不可再生能源所带来的危害也日渐浮现,如:温室效应,海洋污染,冰川融化等。能源的潜在危机和生态环境的恶化迫使人类积极开发新型清洁能源。氢能作为一种安全可再生、燃烧热值高、清洁无污染和无碳排放等诸多优势的新型能源,被视为替代不可再生能源的最理想能源,因此,大力发展高效清洁的制氢技术就成为了关键所在。
电催化分解水产氢是一种高效、无污染的方式,当溶液为碱性时,电催化分解水过程不会对设备以及催化剂产生影响。发明人发现,虽然过渡金属氧化物和过渡金属氢氧化物可以促进电催化分解水产氢,但是氧化物本身导电性较差,反应位点少,影响碱性下的电催化分解水。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种N-NiMoO4/Ni3N电极材料及其制备方法与应用,采用掺杂策略和构建异质结提升导电性及电催化活性,降低分解水需要的电压,在实际应用中有着巨大的指导意义和极大的产业化价值。
具体地,本发明的技术方案如下所述:
在本发明的第一方面,本发明提供了一种N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其为以泡沫镍为载体的三维纳米棒状结构,载体上生长有掺杂氮的结晶性 NiMoO4并附着有结晶性Ni3N。
其中,N-NiMoO4/Ni3N的X射线衍射图如图2b中所示。
在本发明的实施方式中,所述电极材料中分布有N-NiMoO4和Ni3N的异质结界面,其中,N掺杂进入NiMoO4形成N-NiMoO4,N-NiMoO4构成 NiMoO4的晶面,与NiMoO4的晶面(-112)、Ni3N的晶面(110)和(002) 为代表构建异质结。
本申请的电极材料中生长有结晶性N-NiMoO4,其相较于单纯的NiMoO4更好的解决了导电性性的问题,此外,N-NiMoO4与Ni3N为晶格条纹,形成异质结界面,显著增加了电解材料上的反应位点,相较于现有技术中过渡金属氧化物和过渡金属氢氧化物等电极材料,能够有效地提升在碱性条件下电催化分解水产氢的性能;此外,以泡沫镍为载体,N-NiMoO4和Ni3N生长在其上形成三维的纳米棒状结构,能够暴露更多的异质结,使材料的活性进一步增强。
在本发明的实施方式中,所述电极材料中,NiMoO4和Ni3N为晶格条纹,其晶面间距(110)0.237nm、(002)0.214nm以及(-112)0.356nm。
在本发明的第二方面,本发明提供了一种上述第一方面中所述的 N-NiMoO4/Ni3N电极材料的制备方法,其包括:
以Ni源、Mo源和去离子水混合均匀后,加入泡沫镍经水热反应制备得到生长有NiMoO4的泡沫镍;
将得到的生长有NiMoO4的泡沫镍在氨气条件下退火,得到生长有氮掺杂的NiMoO4的泡沫镍,其中氮掺杂的NiMoO4(即N-doped NiMoO4)记做 N-NiMoO4;
以生长有N-NiMoO4的泡沫镍为工作电极,以镍盐溶液为电解液电沉积得到N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍;
将电沉积得到的N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍在氨气条件下退火,得到 N-NiMoO4/Ni3N电极材料。
在本发明的实施方式中,所述镍源选自镍盐,优选为硝酸镍,比如 Ni(NO3)2·6H2O;所述钼源选自钼盐,优选为钼酸铵,比如 (NH4)6Mo7O24·4H2O。
在本发明的实施方式中,所述镍源和钼源的摩尔比为1:1-1.75,优选为1:1.75。
在本发明的实施方式中,所述钼源的浓度为0.2-1mol/L。
在本发明的实施方式中,所述Ni源、Mo源和去离子水混合均匀后,加入氨水使溶液pH至中性(pH=7),然后加入泡沫镍。
在一些实施方式中,所述泡沫镍优选先后在丙酮、水和盐酸中超声清洗后再使用。
在一些实施方式中,水热反应温度为130-170℃,优选为150-160℃,反应时间为5-7h,进一步地,所述水热反应的温度为150℃,水热反应的时间为6h。
在本发明的实施方式中,在所述生长有NiMoO4的泡沫镍在氨气条件下退火的步骤中,氨气的气体流量为10-40ml/min,进一步为20ml/min。
在一些实施方式中,所述生长有NiMoO4的泡沫镍在氨气中退火的条件为:通氨气条件下升温至360℃-400℃,保温2-4h,升温速率为5℃-15℃/min,然后继续在氨气氛围中自然冷却至室温;进一步地,在一些实施方式中,该退火条件为:通氨气条件下升温至380℃,保温3h,升温速率为10℃/min,然后继续在氨气氛围中自然冷却至室温。
不同退火条件对电极材料的性能影响较大,在本发明的实施方式中,发明人发现,以5℃-15℃/min的升温速率将温度升温至360℃-400℃后,保温 2-4小时,然后再冷却至室温,这样的条件下,N-NiMoO4在泡沫镍上生长的较好,且N-NiMoO4具有较好的结晶性,然而,温度过高或过低,保温时间过长或不足以及升温速率的不稳定或过快、过慢等均会影响N-NiMoO4的生成以及其结晶性。
在本发明的实施方式中,所述电沉积步骤中,以生长有N-NiMoO4的泡沫镍为工作电极,碳棒为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,电解液为硝酸镍溶液。
在本发明的实施方式中,所述硝酸镍溶液的浓度为0.08-0.12mol L-1,优选为0.1-0.12mol L-1,进一步为0.1mol L-1。
在本发明的实施方式中,所述电沉积的电压为-0.95~-1.05V,优选为 -1V,沉积电量为7-8C,优选为7C,沉积面积为1*1cm2。
在本发明的实施方式中,在将N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍在氨气条件下退火的步骤中,氨气的气体流量为10-40ml/min,进一步为20ml/min。
在本发明的实施方式中,将N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍在氨气条件下退火的条件为:通氨气条件下升温至360℃-400℃,保温0.5-1.5h,升温速率为5℃-15℃/min,然后继续在氨气氛围中自然冷却至室温;进一步地,在一些实施方式中,该退火条件为:通氨气条件下升温至380℃,保温1,升温速率为10℃/min,然后继续在氨气氛围中自然冷却至室温。
此次氨气退火条件下,得到了本发明的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,相较于未经氨气退火处理的N-NiMoO4/Ni(OH)2,形成了大量的结晶性Ni3N,并与结晶性N-NiMoO4在泡沫镍载体上形成大量的异质结界面并且所形成的异质结得到了更充分的暴露,使材料的性能以及稳定性进一步增强,具有更好的导电性,以及在碱性条件下电催化分解水产氢的性能。
在本发明的第三方面,本发明提供了一种电极,其含有上述第一方面中所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料。
在本发明的第四方面,本发明还提供了上述第一方面中所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料或上述第三方面所述的电极在电催化分解水产氢中的应用。本发明的N-NiMoO4/Ni3N电极材料拥有纳米棒组成的三维结构,具有较好的电催化分解水活性,HER中,在10mAcm-2的电流下只需要51 mV的过电位,且Tafel斜率为45.47mV dec-1,反映了有着较好的产氢动力学性能。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1、本发明的合成方法简单,通过简单的水热、电沉积和管式炉氮化方法即可得到泡沫镍支撑的N-NiMoO4/Ni3N电极材料。
2、本发明通过在N-NiMoO4上负载Ni3N,可以极大提高材料的导电性和吸附水的能力,有利于分解水产氢的进行,很大程度上降低了产氢所需的过电位和能量损耗;具体地,本发明制备的N-NiMoO4/Ni3N电极材料拥有纳米棒组成的三维结构,暴露大量反应活性位点,具有较好的电催化分解水活性、导电性能以及稳定性,HER中,在10mAcm-2的电流下只需要51mV的过电位,且Tafel斜率为45.47mV dec-1,反映了有着较好的产氢动力学。
3、本发明得到的催化剂制备流程简单,对现实应用有着巨大的指导意义,具有很大的产业化价值。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。以下,结合附图来详细说明本发明的实施方案,其中:
图1为本发明实施例1产物NiMoO4(a)、N-doped NiMoO4(b)、Ni3N(c) 和N-dopedNiMoO4/Ni3N(d-f)的SEM图;
图2为本发明实施例1产物的X射线衍射图;
图3为本发明实施例1制备的本发明的N-NiMoO4/Ni3N电极材料的 TEM图;
图4为本发明实施例1制备的本发明的N-NiMoO4/Ni3N电极材料的 XPS图;
图5为本发明实施例1制备的本发明的N-NiMoO4/Ni3N电极材料的 LSV(a)、Tafel(b)、交换电流密度(c),电化学活性面积(d)和稳定性(e-f) 图;
图6为本发明实施例1制备的本发明的N-NiMoO4/Ni3N电极材料的阻抗图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义,文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得,如无特殊说明,本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外,任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1
通过先水热,再氮掺杂,再电沉积,最后氮化的方法合成 N-NiMoO4/Ni3N电极:将切好的2*3.5cm2的泡沫镍先后经过在丙酮、水和 3M的盐酸中超声清洗各15分钟待用。1.2mmol Ni(NO3)2·6H2O和0.3 mmol(NH4)6Mo7O24·4H2O加入到30mL去离子水中,其中Ni源和Mo源的摩尔比为12:21,搅拌30分钟后,加入一定量的氨水,直到溶液PH=7.0,再搅拌30分钟后,加入一片2*3.5cm2的泡沫镍。转入到40mL的带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在烘箱中水热150℃水热6h,自然冷却至室温。冷却后,将材料取出,用水和乙醇冲洗,然后干燥待用。再将生长有NiMoO4的泡沫镍放置于管式炉中,通上20ml/min氨气,以10℃/min的速率升温至380℃,保温3h,在氨气氛围下自然冷却至室温。将长有N-NiMoO4的泡沫镍为工作电极,碳棒为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,电解液为 0.1mol L-1的硝酸镍。在三电极体系中,利用电化学工作站,在-1V电压下沉积电量为7C时停止,洗涤干燥待用。再将生长有N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍放置于管式炉中,通上20ml/min氨气,以10℃/min的速率升温至380℃,保温1h,在氨气氛围下自然冷却至室温,得到N-NiMoO4/Ni3N 电极材料。
需要说明的是,对本发明提出的电催化分解水产氢活性测试采用如下方法进行:
电催化分解水活性测试采用电化学线性扫描伏安法(LSV),LSV测试在三电极体系下,1M的KOH中进行;通过比较相同电流下的过电位比较性能好坏。
同时,Tafel斜率可以从电化学LSV的数据中转换得到,其反应了电化学反应的动力学的快慢,Tafel斜率越小电催化产氢动力学越快。
交换电流密度可以判断电极反应难易程度,电化学活性面积可以了解电极反应中参与反应的电极材料面积,长时间的CV循环和I-T测试可以验证材料的稳定性。阻抗测试可以了解到其载流子的传输阻值。
图1示出了本发明实施例1的产物NiMoO4(a)、N-doped NiMoO4(b)、 Ni3N(c)和N-doped NiMoO4/Ni3N(d-f)的SEM图,根据图片可以清楚看到有颗粒状的物质附着于纳米棒上。
图2示出了本实施例所得产物的X射线衍射图,可以看出,NiMoO4是有结晶性的,为对应标准卡片JCPDS No.33-948,N-NiMoO4保持了原有形貌,Ni3N也是有结晶性的,为对应标准卡片JCPDS No.89-5144, N-NiMoO4/Ni3N中既可以找到NiMoO4标准卡片对应的峰也可以找到Ni3N 标准卡片对应的峰。
图3示出了本实施例所得产物N-NiMoO4/Ni3N电极材料的TEM图,可以看到NiMoO4和Ni3N的晶格条纹。
图4示出了本实施例所得产物N-NiMoO4/Ni3N电极材料的XPS图,进一步证明生长有N-NiMoO4的泡沫镍上有Ni3N附着。
图5示出了本实施例所得产物N-NiMoO4/Ni3N电极材料的LSV、Tafel、交换电流密度,电化学活性面积和稳定性图,N-NiMoO4/Ni3N有着最小的 HER过电位(在10mAcm-2的电流下只需要51mV的过电位)和Tafel斜率(45.47mV dec-1),最接近0的交换电流密度,最大的电化学活性面积 (339.42mFcm-2)以及优秀的稳定性(循环1000圈后,性能无衰减,循环3000圈后,几乎无衰减,表明电极材料稳定性良好)。
图6示出了本实施例所得产物N-NiMoO4/Ni3N电极材料的阻抗图,说明在同样偏压下,N-NiMoO4/Ni3N阻抗最小。
实施例2
通过先水热,再氮掺杂,再电沉积,最后氮化的方法合成 N-NiMoO4/Ni3N电极:将切好的2*3.5cm2的泡沫镍先后经过在丙酮、水和3M的盐酸中超声清洗各15分钟待用。1.5mmolNi(NO3)2·6H2O和0.3 mmol(NH4)6Mo7O24·4H2O加入到30mL去离子水中,其中Ni源和Mo源的摩尔比为5:7,搅拌30分钟后,加入一定量的氨水,直到溶液PH=7.0,再搅拌30分钟后,加入一片2*3.5cm2的泡沫镍。转入到40mL的带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在烘箱中水热160℃水热6h,自然冷却至室温。冷却后,将材料取出,用水和乙醇冲洗,然后干燥待用。再将生长有NiMoO4的泡沫镍放置于管式炉中,通上20ml/min氨气,以10℃/min的速率升温至380℃,保温3h,在氨气氛围下自然冷却至室温。将长有N-NiMoO4的泡沫镍为工作电极,碳棒为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,电解液为 0.12mol L-1的硝酸镍。在三电极体系中,利用电化学工作站,在-1V电压下沉积电量为7C时停止,洗涤干燥待用。再将生长有N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍放置于管式炉中,通上10ml/min氨气,以10℃/min的速率升温至380℃,保温1h,在氨气氛围下自然冷却至室温,得到N-NiMoO4/Ni3N 电极材料。该电极材料相较于实施例1而言,除棒状结构稍微***外,形貌并无差异,性能相当。
实施例3
通过先水热,再氮掺杂,再电沉积,最后氮化的方法合成 N-NiMoO4/Ni3N电极:将切好的2*3.5cm2的泡沫镍先后经过在丙酮、水和 3M的盐酸中超声清洗各15分钟待用。2.1mmol Ni(NO3)2·6H2O和0.3 mmol(NH4)6Mo7O24·4H2O加入到30mL去离子水中,其中Ni源和Mo源的摩尔比为1:1,搅拌30分钟后,加入一定量的氨水,直到溶液PH=7.0,再搅拌30分钟后,加入一片2*3.5cm2的泡沫镍。转入到40mL的带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,在烘箱中水热150℃水热6h,自然冷却至室温。冷却后,将材料取出,用水和乙醇冲洗,然后干燥待用。再将生长有NiMoO4的泡沫镍放置于管式炉中,通上20ml/min氨气,以10℃/min的速率升温至380℃,保温3h,在氨气氛围下自然冷却至室温。将长有N-NiMoO4的泡沫镍为工作电极,碳棒为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,电解液为 0.1mol L-1的硝酸镍。在三电极体系中,利用电化学工作站,在-1V电压下沉积电量为7C时停止,洗涤干燥待用。再将生长有N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍放置于管式炉中,通上20ml/min氨气,以10℃/min的速率升温至380℃,保温1h,在氨气氛围下自然冷却至室温,得到N-NiMoO4/Ni3N 电极材料。该电极材料相较于实施例1而言,形貌并无差异,性能相当。
实施例4
与实施例1的差异仅在于无氮掺杂过程,制备得到NiMoO4/Ni3N电极材料。其具有晶格条纹结构,但相较于实施例1,NiMoO4/Ni3N纳米棒的表面相对光滑。此外,根据实施例1的方法测试其电催化分解水产氢活性,结果表明,其导电性不及实施例1,其过电位和Tafel斜率均大于实施例1,但优于电极材料Ni3N,电化学活性面积远小于实施例1但优于电极材料Ni3N。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (27)
1.一种N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其为以泡沫镍为载体的三维纳米棒状结构,载体上生长有掺杂氮的结晶性NiMoO4并附着有结晶性Ni3N;
所述电极材料中分布有N-NiMoO4和Ni3N的异质结界面,其中,N-NiMoO4晶面与NiMoO4的晶面(-112)、Ni3N的晶面(110)和(002)构建异质结;
所述电极材料制备方法包括:以Ni源、Mo源和去离子水混合均匀后,加入泡沫镍经水热反应制备得到生长有NiMoO4的泡沫镍;将得到的生长有NiMoO4的泡沫镍在氨气条件下退火,得到生长有氮掺杂的NiMoO4的泡沫镍,其中氮掺杂的NiMoO4记做N-NiMoO4;以生长有N-NiMoO4的泡沫镍为工作电极,以镍盐溶液为电解液电沉积得到N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍;将电沉积得到的N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍在氨气条件下退火,得到N-NiMoO4/Ni3N电极材料;
在所述生长有NiMoO4的泡沫镍在氨气条件下退火的步骤中,所述退火条件为:通氨气条件下升温至360℃-400℃,保温2-4h,升温速率为5℃-15℃/min,然后继续在氨气氛围中自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述电极材料中,NiMoO4和Ni3N为晶格条纹,其晶面间距(110)0.237nm、(002)0.214nm以及(-112)0.356nm。
3.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述镍源选自镍盐,所述钼源选自钼盐。
4.根据权利要求3所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述镍盐为硝酸镍。
5.根据权利要求3所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述钼盐为钼酸铵。
6.根据权利要求3所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述镍源和钼源的摩尔比为1:1-1.75。
7.根据权利要求6所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述镍源和钼源的摩尔比为1:1.75。
8.根据权利要求3所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述钼源的浓度为0.2-1mol/L。
9.根据权利要求3所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述Ni源、Mo源和去离子水混合均匀后,加入氨水使溶液pH至中性。
10.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,水热反应温度为130-170℃,反应时间为5-7h。
11.根据权利要求10所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,水热反应温度为150-160℃。
12.根据权利要求10所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,水热反应的温度为150℃,水热反应的时间为6h。
13.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,在所述生长有NiMoO4的泡沫镍在氨气条件下退火的步骤中,氨气的气体流量为10-40ml/min。
14.根据权利要求13所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,氨气的气体流量为20ml/min。
15.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,在所述生长有NiMoO4的泡沫镍在氨气条件下退火的步骤中,所述退火条件为:通氨气条件下升温至380℃,保温3h,升温速率为10℃/min,然后继续在氨气氛围中自然冷却至室温。
16.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述电沉积步骤中,以生长有N-NiMoO4的泡沫镍为工作电极,碳棒为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,电解液为硝酸镍溶液。
17.根据权利要求16所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述硝酸镍溶液的浓度为0.08-0.12mol L-1。
18.根据权利要求17所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述硝酸镍溶液的浓度为0.1-0.12mol L-1。
19.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述电沉积的电压为-0.95~-1.05V,沉积电量为7-8C,沉积面积为1*1cm2。
20.根据权利要求19所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述电沉积的电压为-1V。
21.根据权利要求19所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,所述沉积电量为7C。
22.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,在将N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍在氨气条件下退火的步骤中,氨气的气体流量为10-40ml/min。
23.根据权利要求22所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,氨气的气体流量为20ml/min。
24.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,在将N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍在氨气条件下退火的步骤中,退火条件为:通氨气条件下升温至360℃-400℃,保温0.5-1.5h,升温速率为5℃-15℃/min,然后继续在氨气氛围中自然冷却至室温。
25.根据权利要求1所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料,其特征在于,在将N-NiMoO4/Ni(OH)2的泡沫镍在氨气条件下退火的步骤中,退火条件为:通氨气条件下升温至380℃,保温1,升温速率为10℃/min,然后继续在氨气氛围中自然冷却至室温。
26.电极,其含有权利要求1至25中任一项所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料。
27.权利要求1至25中任一项所述的N-NiMoO4/Ni3N电极材料或权利要求26所述的电极在电催化分解水产氢中的应用。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010032065.XA CN111215110B (zh) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | 一种N-NiMoO4/Ni3N电极材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010032065.XA CN111215110B (zh) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | 一种N-NiMoO4/Ni3N电极材料及其制备方法和应用 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111215110A CN111215110A (zh) | 2020-06-02 |
CN111215110B true CN111215110B (zh) | 2020-12-18 |
Family
ID=70825997
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010032065.XA Active CN111215110B (zh) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | 一种N-NiMoO4/Ni3N电极材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN111215110B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112813455B (zh) * | 2020-12-30 | 2021-11-09 | 中国人民大学 | 一种高性能双功能Ni3N多面体及其制备方法与应用 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108339559A (zh) * | 2017-01-25 | 2018-07-31 | 天津城建大学 | 一种氮化镍纳米复合电催化材料及其制备方法和应用 |
CN108893756A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-11-27 | 湖北大学 | 一种Ni3N NSs/NF纳米球的合成方法及其应用 |
CN109082683A (zh) * | 2018-08-31 | 2018-12-25 | 山东大学 | 二元复合金属氮化物纳米线全分解水电催化剂及合成方法 |
CN110400699A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-11-01 | 安徽理工大学 | 一种纳米花状Ni@NiMoO4@Ni3S2微、纳米电极材料的制备方法和应用 |
-
2020
- 2020-01-13 CN CN202010032065.XA patent/CN111215110B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108339559A (zh) * | 2017-01-25 | 2018-07-31 | 天津城建大学 | 一种氮化镍纳米复合电催化材料及其制备方法和应用 |
CN108893756A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-11-27 | 湖北大学 | 一种Ni3N NSs/NF纳米球的合成方法及其应用 |
CN109082683A (zh) * | 2018-08-31 | 2018-12-25 | 山东大学 | 二元复合金属氮化物纳米线全分解水电催化剂及合成方法 |
CN110400699A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-11-01 | 安徽理工大学 | 一种纳米花状Ni@NiMoO4@Ni3S2微、纳米电极材料的制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
"过渡金属氮化物的制备及其在电解水领域的应用";贾珺然;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20190715(第7期);58-83 * |
Integrating the active OER and HER components as the heterostructures for the efficient overall water splitting;Aiping Wu et al.;《Nano Energy》;20171213;第44卷;353-363 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN111215110A (zh) | 2020-06-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108754532B (zh) | 一种钼掺杂的铁/镍层状阵列@泡沫镍基复合电极材料及其制备方法与应用 | |
CN108671948B (zh) | 一种自组装超薄花状镍钴磷化物电催化材料的制备方法 | |
CN108448117B (zh) | 富含氧缺陷的超薄镍钴氧化物纳米片电极阵列及制备方法 | |
CN110938831B (zh) | 一种泡沫合金基铁掺杂NiSe微球电催化材料及制备方法 | |
CN110813361B (zh) | 磷掺杂氧化钴铁氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备方法与应用 | |
CN110694665A (zh) | 一种锰、氮掺杂八硫九钴电催化剂的制备方法及其应用 | |
CN111701607A (zh) | MnCo2O4@Ni2P/NF双功能全解水催化剂及其制备方法与应用 | |
CN109628951A (zh) | 一种硫化镍析氢电催化剂及其制备方法与应用 | |
CN108906084A (zh) | 一种二硒化钴纳米棒的制备方法及应用 | |
CN113908870A (zh) | 双功能非贵金属氮化物催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢应用 | |
CN114042467B (zh) | 一种纳米镍簇和碳化钒颗粒修饰的超薄碳层复合材料及其制备方法和应用 | |
CN111229267B (zh) | 负载型磷掺杂金属羟基氧化物纳米片材料及其制备方法和应用 | |
CN112058282A (zh) | 一种基于钼、钨基层状材料pH广适催化剂的制备方法及其应用于电解水析氢反应 | |
CN111777102A (zh) | 一种基于金属氧化物的双功能分解水纳米材料及其制备方法 | |
CN114875442A (zh) | 一种钌修饰的钼镍纳米棒复合催化剂及其制备方法和应用 | |
CN111215110B (zh) | 一种N-NiMoO4/Ni3N电极材料及其制备方法和应用 | |
CN117004983A (zh) | 一种钴铁双金属有机杂化电极材料及其制备与应用 | |
CN114892206B (zh) | 一种多元金属氮化物异质结纳米棒阵列复合电催化剂及其制备方法和应用 | |
CN115161694A (zh) | 一种Mn掺杂CoP纳米线复合Ni(PO3)2纳米团簇异质结阵列及其制备方法和应用 | |
CN115386910A (zh) | 异质结构锰钴铁磷双功能电解水电极材料的制备法和用途 | |
CN113930800A (zh) | 一种异质结构电催化析氢材料及其制备方法与应用 | |
CN115044920B (zh) | 一种自支撑的超低结晶度纳米阵列电解水制氢电催化剂的制备方法 | |
CN117446920B (zh) | 一种二维纳米片异质结电催化剂及其制备方法和应用 | |
CN114990619B (zh) | 一种非晶态NiOOH/Ni3S2异质结构型镍基复合物催化剂及其制备方法和应用 | |
CN114855187B (zh) | 大电流电催化水分解制氢的催化剂及其制备方法和应用 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |