本發(fā)明屬于材料科學(xué)及電催化，具體涉及一種以泡沫鎳為基底的釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、由于化石能源儲量有限以及燃燒帶來的環(huán)境污染，能源問題成為了人類社會亟待解決的重大難題。電催化水分解提供了一種可持續(xù)的策略，通過陰極析氫反應(yīng)和陽極析氧反應(yīng)提供清潔能源。對于電解水析氧反應(yīng)，由于質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移的多個步驟，其在動力學(xué)上是不利的，因此有效的催化劑是必不可少的。迄今為止，貴金屬氧化物，例如二氧化釕和二氧化銥，已經(jīng)在電解水析氧反應(yīng)的催化上表現(xiàn)出高性能。但是，這些貴金屬的高昂價格和稀缺性嚴重阻礙了它們的實際應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)具有低價格和優(yōu)異性能的新催化劑。

2、鎳基析氧電催化劑在能源轉(zhuǎn)換和儲存方面具有廣泛的應(yīng)用，特別是在水分解和燃料電池領(lǐng)域。近年來，科研人員通過多種策略設(shè)計和優(yōu)化鎳基催化劑，以提升其催化性能。一種常見的策略是利用元素摻雜來優(yōu)化鎳基催化劑的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)。例如，通過引入稀土元素如鑭或釔，可以調(diào)整鎳基催化劑的能帶結(jié)構(gòu)，增強其電催化活性。同時，利用金屬元素如鈀或金進行摻雜，也可以提高鎳基催化劑的導(dǎo)電性和催化活性。另一種策略是制備具有特定形貌和結(jié)構(gòu)的鎳基催化劑。例如，科研人員已經(jīng)成功制備出了納米片、納米棒、納米管和納米花等不同形貌的鎳基催化劑，這些具有不同形貌的鎳基催化劑表現(xiàn)出各異的催化性能。

3、然而在鎳基催化劑中，以丁二酮肟鎳為基底的釕摻雜催化劑尚無報道，相比傳統(tǒng)基底的鎳基催化劑，原位生長的丁二酮肟鎳基底制備方法更簡單，展現(xiàn)出納米片的微觀形態(tài)，這種形態(tài)有利于增加催化劑的表面積和活性位點，通過調(diào)控具體合成條件，可以控制丁二酮肟鎳納米片的厚度和層間距，進一步改善其結(jié)構(gòu)和性能。原位生長的丁二酮肟鎳摻雜釕后電化學(xué)性能提升更為明顯，且在大電流下具有超長穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種原位生長的以泡沫鎳為基底的釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的合成方法，以泡沫鎳片作為電極材料和反應(yīng)模板，預(yù)處理泡沫鎳片，然后利用水熱反應(yīng)在較溫和的條件下在泡沫鎳片表面生長丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)，最后利用超聲生長手段得到釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)作為電解水析氧反應(yīng)催化活性中心，與電極材料泡沫鎳片緊密結(jié)合，將生長有釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)的泡沫鎳片置于電化學(xué)三電極體系中作電解水析氧電極。

2、因此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種原位生長的以泡沫鎳為基底的釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法，具體操作如下：

3、(1)預(yù)處理泡沫鎳片：先將泡沫鎳片置于鹽酸中超聲，再用無水乙醇和去離子水仔細超聲清洗鹽酸處理后的泡沫鎳片，以去除泡沫鎳片表面的雜質(zhì)，最后置于60-80℃烘箱中烘干40-60分鐘；

4、(2)反應(yīng)溶液的配制：按照1mmol：20ml將丁二酮肟藥品溶解于乙醇溶液中，按照0.5mmol：20ml將六水合氯化鎳藥品溶解于超純水中，將上述兩種溶液分別在磁力作用下常溫攪拌30分鐘，使藥品在溶液中均勻分散；取攪拌后的兩種溶液各10ml混合，在磁力作用下繼續(xù)常溫攪拌20分鐘，得到最終反應(yīng)溶液；

5、(3)將步驟(1)預(yù)處理的泡沫鎳片和步驟(2)中的最終反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)移到40毫升聚四氟乙烯內(nèi)襯中，組裝反應(yīng)釜完畢后放入200℃的烘箱中，水熱反應(yīng)6小時后自然降溫至室溫；

6、(4)將反應(yīng)釜從烘箱中取出，將泡沫鎳片從完全冷卻的四氟乙烯內(nèi)襯中取出，用乙醇和去離子水交替多次超聲洗滌，最后在150℃的真空烘箱中加熱12小時，得到以泡沫鎳為基底的丁二酮肟鎳片；

7、(5)將步驟(4)得到的以泡沫鎳為基底的丁二酮肟鎳片置于8ml濃度為1.5mg/ml的氯化釕溶液中，并持續(xù)超聲6小時，超聲完成后將以泡沫鎳為基底的丁二酮肟鎳片從氯化釕溶液中取出，用乙醇和去離子水交替多次超聲洗滌，最后在40℃的真空烘箱中干燥6小時，得到以泡沫鎳為基底的釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。

8、其中，步驟(1)預(yù)處理泡沫鎳片的步驟是：首先裁剪得到1cm×2cm的泡沫鎳片，在1mol/l鹽酸中超聲酸化活化20分鐘，然后置于無水乙醇中超聲處理1-5分鐘，取出用去離子水反復(fù)沖洗，再次置于去離子水中超聲清洗3-5分鐘；最后置于60-80℃烘箱中烘干40-60分鐘。

9、其中，步驟(2)最終反應(yīng)溶液中，六水合氯化鎳的濃度為0.025mol/l，丁二酮肟的濃度為0.0125mol/l。

10、其中，步驟(5)中氯化釕溶液配置方案為：按照12mg：8ml取氯化釕藥品溶解于超純水中，超聲10分鐘使其充分溶解，得到氯化釕溶液。

11、本發(fā)明中，所述多次超聲洗滌次數(shù)指4-6次。

12、本發(fā)明中，步驟(1)對泡沫鎳基底用鹽酸超聲處理，可以去除基底上的雜質(zhì)元素及氧化層，用去離子水與乙醇溶液去除殘留的鹽酸及基底表面剩余雜質(zhì)。步驟(2)所提到的特定摩爾比為最優(yōu)配比，符合兩種元素的反應(yīng)化學(xué)式。步驟(3)經(jīng)過6小時200℃的反應(yīng)后，得到反應(yīng)中間產(chǎn)物ni2cl(oh)3，在步驟(4)中，對中間產(chǎn)物ni2cl(oh)3多次洗滌以去除其表面雜質(zhì)與殘余藥品，再經(jīng)過12小時150℃的反應(yīng)后得到下一步中間產(chǎn)物丁二酮肟鎳。步驟(5)中，1.5mg/ml的氯化釕溶液濃度與6小時的超聲反應(yīng)時間均是最優(yōu)配比。

13、本發(fā)明的目的之二在于提供一種由上述方法制備得到的以泡沫鎳為基底的釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，具有三維片狀納米陣列結(jié)構(gòu)。

14、本發(fā)明的目的之三在于提供一種上述以泡沫鎳為基底的釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)材料作為電解水析氧反應(yīng)催化劑的應(yīng)用，顯著降低析氧反應(yīng)的過電勢，具有良好的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出極佳的電解水析氧反應(yīng)催化活性，具有良好的應(yīng)用前景。

15、本發(fā)明的目的之四在于提供一種電解水析氧電極，將上述以泡沫鎳為基底的釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)材料置于電化學(xué)三電極測試體系中，作電解水析氧電極，在堿性介質(zhì)中可以使電解水析氧反應(yīng)在較低的外加電壓下高效進行，并且具有良好的穩(wěn)定性。

16、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益技術(shù)效果：

17、1.本發(fā)明利用原位生長的方法合成以泡沫鎳為基底的釕摻雜丁二酮肟鎳納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)材料作電解水析氧反應(yīng)催化劑，使得催化劑與電極材料能夠緊密的結(jié)合，既解決了氫氧化物導(dǎo)電性差的問題，又能促進電荷傳輸。

18、2.本發(fā)明利用反應(yīng)基底的三維孔道結(jié)構(gòu)，原位合成了具有較大比表面積的三維片狀納米陣列結(jié)構(gòu)，極大的增加了催化劑的催化活性位點，使得析氧電極能夠在較低的外加電壓下催化電解水析氧反應(yīng)高效的進行，且具有良好的穩(wěn)定性。具體而言，在100ma?cm-2處具有較低的過電位(308mv)，超過了大多數(shù)報道的鎳基電催化劑。

19、3.本發(fā)明合成過程簡單快捷易于操控，沒有產(chǎn)生高危險性的中間體，也不需要復(fù)雜或高技術(shù)含量的工藝等，不需要外加粘結(jié)劑，且所需原料來源廣泛，價格低廉。

20、4.本發(fā)明對于電解水析氧反應(yīng)節(jié)約能耗，提高效率，具有顯著效果，是一種綠色、安全、高效、簡便、成熟的合成工藝；同時可實現(xiàn)宏量制備，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。