一种用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极及其制备方法 (Chromium-aluminum co-doped nickel-based hydroxide self-supporting electrode for full water decomposition and preparation method thereof ) 是由 曹丽云 刘振婷 何丹阳 冯亮亮 黄剑锋 于 2020-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极及其制备方法,本发明的制备方法具体步骤包括：1)：将一定量的镍源、铬源、铝源、碱源、二甲基甲酰胺和聚乙烯吡咯烷酮混合均匀,并加入超纯水,搅拌均匀得到溶液A；2)：将泡沫镍浸泡在1)中所得溶液A中,于105～115℃条件下进行水热反应；3)：水热反应结束后自然冷却至室温,将反应后的泡沫镍取出,洗涤、烘干后得用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。本发明的制备方法制备成本低、制备流程简单且过程易于控制,根据本发明制备方法所制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极在碱性条件下具有良好的全解水性能。(The invention discloses a chromium-aluminum co-doped nickel-based hydroxide self-supporting electrode for full water decomposition and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following specific steps: 1): uniformly mixing a certain amount of nickel source, chromium source, aluminum source, alkali source, dimethylformamide and polyvinylpyrrolidone, adding ultrapure water, and uniformly stirring to obtain a solution A; 2): soaking foamed nickel in the solution A obtained in the step 1), and carrying out hydrothermal reaction at 105-115 ℃; 3): and after the hydrothermal reaction is finished, naturally cooling to room temperature, taking out the reacted foam nickel, washing and drying to obtain the chromium-aluminum co-doped nickel-based hydroxide self-supporting electrode for full water decomposition. The preparation method provided by the invention has the advantages of low preparation cost, simple preparation process and easiness in process control, and the chromium-aluminum co-doped nickel-based hydroxide self-supporting electrode for full water decomposition prepared by the preparation method provided by the invention has good full water decomposition performance under an alkaline condition.)
技术领域
本发明涉及电催化材料技术领域，具体涉及一种用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极及其制备方法。
背景技术
氢气作为一种清洁能源，具有导热性好，理想发热值高，环境友好，利用率高等优点。随着全球能源危机和环境污染的加剧，氢气这种清洁能源被人们广泛研究。
目前工业产氢的方法主要有三种：甲烷蒸汽重整、煤气化过程和电解水。显然，前两种制备方法仍然需要消耗化石燃料，不能解决二氧化碳排放与环境污染等问题。经研究发现，电解水是目前最具有前景的可持续制氢方法，传统的贵金属基电催化剂成本过高，难以大规模推广使用，为了解决电解水本身存在高势垒和反应速率慢等问题，亟需寻找一种性能良好的非贵金属基电催化剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极及其制备方法。本发明的制备方法制备成本低、制备流程简单且过程易于控制，根据本发明制备方法所制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极在碱性条件下具有良好的全解水性能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的制备方法，具体步骤包括：
步骤一：将170～180mg的镍源、55～65mg的铬源、30～40mg的铝源、115～125mg的碱源、1.5～2mL的二甲基甲酰胺和0.25～0.3g聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，并加入20～25ml的超纯水，搅拌均匀得到溶液A；
步骤二：将泡沫镍浸泡在步骤一所得溶液A中，于105～115℃条件下水热反应10～14h；
步骤三：水热反应结束后自然冷却至室温，将反应后的泡沫镍取出，洗涤、烘干后得用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。
进一步的，所述步骤一中的镍源、铬源、铝源、碱源分别为六水合硝酸镍、九水合硝酸铬、六水合氯化铝、尿素。
进一步的，所述步骤一中的搅拌采用磁力搅拌，搅拌时间为10～30min。
进一步的，所述步骤二中的泡沫镍提前经过预处理，预处理过程为：将泡沫镍切成1cm×5cm的块状，将其在丙酮溶液中超声清洗10～15min，然后倒入配好的1～3mol/L盐酸中超声清洗5～10min，最后分别用无水乙醇和超纯水交替冲洗2～3次，再在25～35℃下真空干燥10～12h。
进一步的，所述步骤二中的水热反应在对位聚苯的水热反应釜中进行反应，填充比为60～70％。
进一步的，所述步骤三中的洗涤为采用超纯水和无水乙醇交替冲洗3～4次，所述烘干的烘干温度为70～80℃，时间为3～5h。
根据上述任意一项所述的制备方法制备所得的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的制备方法采用一步水热法合成了用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极，该方法反应过程简单、温度低、不需要大型的设备和苛刻的条件，对环境友好、成本低，适合大规模生产；通过引入了少量二甲基甲酰胺和聚乙烯吡咯烷酮对反应溶剂水进行调控，通过严格控制两者之间的体积、镍源、铬源、铝源和碱源的配比、反应填充比、反应时间、反应温度等参数，充分利用调控剂的诱导作用，实现了用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的控制。
根据本发明制备方法制备所得的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极具有较大的比表面积，较高的暴露活性位点，足够的开放区域以及便捷的电子传输路径。泡沫镍(NF)作为硬模板剂，其独特的立体结构增加了材料的担载量、提供了更多的反应活性位点；其多孔有利于物质的传输及气体的及时溢出；能够避免使用昂贵的粘接剂，有效降低了接触电阻，提高其导电性，同时增强了电极的机械稳定性，从而提升其催化活性和稳定性。将本发明的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极应用在电催化剂中，在在碱性(pH＝14)溶液下进行了全解水电催化测试，当电流密度达到100mA/cm2所需的HER和OER过电势分别为284mV和411mV，表现出良好的电催化活性。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的X射线衍射(XRD)图谱；
图2是本发明实施例1制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的低倍扫描电镜(SEM)照片；
图3是本发明实施例1制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极在碱性条件下线性扫描伏安(LSV)曲线的产氢性能图(HER)；
图4是本发明实施例1制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极在碱性条件下线性扫描伏安(LSV)曲线的产氧性能图(OER)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例1
本发明的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的制备方法，具体步骤包括：
步骤一：将泡沫镍进行预处理。将泡沫镍切成1cm×5cm的块状，将其在丙酮溶液中超声清洗10min，然后倒入配好的3mol/L盐酸溶液中超声清洗5min，最后分别用无水乙醇和超纯水交替冲洗3次，再在25℃下真空干燥12h后备用；
步骤二：将170mg的六水合硝酸镍、55mg的九水合硝酸铬、40mg的六水合氯化铝、125mg的尿素、1.5mL的二甲基甲酰胺和0.25g聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，并加入20ml的超纯水，磁力搅拌20min，搅拌均匀得到溶液A；
步骤三：将步骤一所得备用的泡沫镍浸泡在步骤二所得溶液A中，转移至对位聚苯的水热反应釜中并密封，继而将内衬装于外釜中固定后置于烘箱中，填充比为62％，于105℃条件下水热反应14h；
步骤四：水热反应结束后，随反应釜自然冷却至室温，将反应后的泡沫镍取出，用超纯水和无水乙醇交替冲洗3次，并在70℃下烘干5h，得用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。
对本实施例所制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极进行结构表征及性能测试：
本实施例所制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的X射线衍射(XRD)图谱结果如图1所示，从图中可以看出，所制的样品的衍射峰，与PDF#14-0117标准卡片上的相符合，说明我们成功地制备出了氢氧化镍电极。
图2为本实施例所制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的低倍扫描电镜(SEM)照片，从图中可以看出，生成的样品形貌表现为聚集密集的纳米片，增大了与电解液的接触面积，增加了反应活性位点，有利于反应的进行。
将本实施例所制备的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极应用在电催化剂上，并在碱性(pH＝14)溶液下进行全解水电催化测试，其结果如图3、图4所示，从图3、图4可以看出，当电流密度达到100mA/cm2所需的HER和OER过电势分别为284mV和411mV，表现出良好的电催化活性。
实施例2
本发明的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的制备方法，具体步骤包括：
步骤一：将泡沫镍进行预处理。将泡沫镍切成1cm×5cm的块状，将其在丙酮溶液中超声清洗15min，然后倒入配好的1mol/L盐酸溶液中超声清洗10min，最后分别用无水乙醇和超纯水交替冲洗2次，再在35℃下真空干燥10h后备用；
步骤二：将180mg的六水合硝酸镍、65mg的九水合硝酸铬、30mg的六水合氯化铝、115mg的尿素、1.6mL的二甲基甲酰胺和0.26g聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，并加入21ml的超纯水，磁力搅拌21min，搅拌均匀得到溶液A；
步骤三：将步骤一所得备用的泡沫镍浸泡在步骤二所得溶液A中，转移至对位聚苯的水热反应釜中并密封，继而将内衬装于外釜中固定后置于烘箱中，填充比为70％，于115℃条件下水热反应10h；
步骤四：水热反应结束后，随反应釜自然冷却至室温，将反应后的泡沫镍取出，用超纯水和无水乙醇交替冲洗4次，并在80℃下烘干3h，得用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。
实施例3
本发明的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的制备方法，具体步骤包括：
步骤一：将泡沫镍进行预处理。将泡沫镍切成1cm×5cm的块状，将其在丙酮溶液中超声清洗11min，然后倒入配好的2mol/L盐酸溶液中超声清洗8min，最后分别用无水乙醇和超纯水交替冲洗3次，再在30℃下真空干燥11h后备用；
步骤二：将175mg的六水合硝酸镍、60mg的九水合硝酸铬、35mg的六水合氯化铝、120mg的尿素、1.7mL的二甲基甲酰胺和0.27g聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，并加入22ml的超纯水，磁力搅拌22min，搅拌均匀得到溶液A；
步骤三：将步骤一所得备用的泡沫镍浸泡在步骤二所得溶液A中，转移至对位聚苯的水热反应釜中并密封，继而将内衬装于外釜中固定后置于烘箱中，填充比为62％，于110℃条件下水热反应12h；
步骤四：水热反应结束后，随反应釜自然冷却至室温，将反应后的泡沫镍取出，用超纯水和无水乙醇交替冲洗4次，并在72℃下烘干4.5h，得用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。
实施例4
本发明的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的制备方法，具体步骤包括：
步骤一：将泡沫镍进行预处理。将泡沫镍切成1cm×5cm的块状，将其在丙酮溶液中超声清洗12min，然后倒入配好的3mol/L盐酸溶液中超声清洗10min，最后分别用无水乙醇和超纯水交替冲洗3次，再在27℃下真空干燥12h后备用；
步骤二：将170mg的六水合硝酸镍、65mg的九水合硝酸铬、30mg的六水合氯化铝、125mg的尿素、1.8mL的二甲基甲酰胺和0.28g聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，并加入23ml的超纯水，磁力搅拌23min，搅拌均匀得到溶液A；
步骤三：将步骤一所得备用的泡沫镍浸泡在步骤二所得溶液A中，转移至对位聚苯的水热反应釜中并密封，继而将内衬装于外釜中固定后置于烘箱中，填充比为64％，于114℃条件下水热反应10h；
步骤四：水热反应结束后，随反应釜自然冷却至室温，将反应后的泡沫镍取出，用超纯水和无水乙醇交替冲洗3次，并在75℃下烘干4h，得用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。
实施例5
本发明的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的制备方法，具体步骤包括：
步骤一：将泡沫镍进行预处理。将泡沫镍切成1cm×5cm的块状，将其在丙酮溶液中超声清洗13min，然后倒入配好的1mol/L盐酸溶液中超声清洗10min，最后分别用无水乙醇和超纯水交替冲洗2次，再在32℃下真空干燥10h后备用；
步骤二：将180mg的六水合硝酸镍、55mg的九水合硝酸铬、40mg的六水合氯化铝、115mg的尿素、1.9mL的二甲基甲酰胺和0.29g聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，并加入24ml的超纯水，磁力搅拌24min，搅拌均匀得到溶液A；
步骤三：将步骤一所得备用的泡沫镍浸泡在步骤二所得溶液A中，转移至对位聚苯的水热反应釜中并密封，继而将内衬装于外釜中固定后置于烘箱中，填充比为66％，于106℃条件下水热反应14h；
步骤四：水热反应结束后，随反应釜自然冷却至室温，将反应后的泡沫镍取出，用超纯水和无水乙醇交替冲洗4次，并在78℃下烘干3.5h，得用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。
实施例6
本发明的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的制备方法，具体步骤包括：
步骤一：将泡沫镍进行预处理。将泡沫镍切成1cm×5cm的块状，将其在丙酮溶液中超声清洗14min，然后倒入配好的3mol/L盐酸溶液中超声清洗5min，最后分别用无水乙醇和超纯水交替冲洗3次，再在25～35℃下真空干燥10～12h后备用；
步骤二：将180mg的六水合硝酸镍、55mg的九水合硝酸铬、30mg的六水合氯化铝、125mg的尿素、2mL的二甲基甲酰胺和0.3g聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，并加入25ml的超纯水，磁力搅拌25min，搅拌均匀得到溶液A；
步骤三：将步骤一所得备用的泡沫镍浸泡在步骤二所得溶液A中，转移至对位聚苯的水热反应釜中并密封，继而将内衬装于外釜中固定后置于烘箱中，填充比为68％，于107℃条件下水热反应13h；
步骤四：水热反应结束后，随反应釜自然冷却至室温，将反应后的泡沫镍取出，用超纯水和无水乙醇交替冲洗3次，并在80℃下烘干3h，得用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。
实施例7
本发明的用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极的制备方法，具体步骤包括：
步骤一：将泡沫镍进行预处理。将泡沫镍切成1cm×5cm的块状，将其在丙酮溶液中超声清洗10min，然后倒入配好的3mol/L盐酸溶液中超声清洗5min，最后分别用无水乙醇和超纯水交替冲洗3次，再在25℃下真空干燥10h后备用；
步骤二：将170mg的六水合硝酸镍、65mg的九水合硝酸铬、35mg的六水合氯化铝、115mg的尿素、2mL的二甲基甲酰胺和0.3g聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，并加入25ml的超纯水，磁力搅拌20min，搅拌均匀得到溶液A；
步骤三：将步骤一所得备用的泡沫镍浸泡在步骤二所得溶液A中，转移至对位聚苯的水热反应釜中并密封，继而将内衬装于外釜中固定后置于烘箱中，填充比为60％，于110℃条件下水热反应10h；
步骤四：水热反应结束后，随反应釜自然冷却至室温，将反应后的泡沫镍取出，用超纯水和无水乙醇交替冲洗3次，并在80℃下烘干3h，得用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极。