自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法及其应用技术

自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法及其应用，本发明专利技术属于纳米材料制备及清洁能源制备技术领域，它针对NiPS3作为HER催化剂所存在的表面积低、制备过程所需温度较高的问题。制备方法：一、对碳布进行超声清洗；二、将红磷粉和升华硫粉混合，研磨后得到磷硫粉混合物；三、将镍盐、尿素和氟化铵加入到超纯水中搅拌溶解，得到反应液；四、碳布浸入反应液中进行水热反应；五、将磷硫粉混合物倒入敞口反应器中，敞口反应器和前驱体一同放入刚玉舟中，先加热至磷硫粉混合物至熔融，然后升华后磷、硫蒸汽与前驱体在高温下发生反应。本发明专利技术合成温度较低，NiPS3纳米片催化剂与导电衬底复合，可以直接用作HER电极，无需后续处理。

Preparation and application of self-supporting NiPS3 nanosheets

The preparation method and application of self-supporting NiPS3 nanosheet belong to the field of nano-material preparation and clean energy preparation technology. It aims at the problems of low surface area and high temperature in preparation process of NiPS3 as HER catalyst. The preparation methods are as follows: 1. ultrasonic cleaning of carbon cloth; 2. mixing red phosphorus powder with sublimated sulfur powder to obtain a mixture of phosphorus and sulfur powder after grinding; 3. mixing nickel salt, urea and ammonium fluoride into ultra-pure water to get reaction solution; 4. immersing carbon cloth in reaction liquid for hydrothermal reaction; 5. pouring phosphorus and sulfur powder mixture into open reactor and precursor The bulk is put into the corundum boat, heated to the mixture of phosphorus and sulfur powder to melt, and then sublimated to react with the precursor at high temperature. The synthesis temperature of the invention is low, and the NiPS3 nano-sheet catalyst is compounded with the conductive substrate, which can be directly used as the HER electrode without subsequent treatment.

【技术实现步骤摘要】
自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法及其应用
本专利技术属于纳米材料制备及清洁能源制备
，具体涉及一种NiPS3纳米片材料的制备方法及其应用。
技术介绍
随着人类社会的发展与进步，化石能源的消耗和由此引发的环境污染问题变得日益严重。为了解决人类面临的能源和环境问题，众多可再生能源(例如，太阳能，风能，地热能，氢能等)被广泛的研究利用。在这其中，氢能源作为一种燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多种多样的新型能源载体，得到了越来越多的重视。氢气的制备方法多种多样，其中以电解水制氢产生的环境污染最小，也成为最有潜力的氢能源制备方案之一。但是目前全世界仅有五分之一的氢气来源于水的电解，最主要的原因是目前最有效的水分解催化剂都是贵金属，如Pt、Ir、Ru等，这些贵金属的稀缺性和昂贵的价格使得其在水电解方向的应用受到了极大的限制。因此，近年来寻求高效、低价、储量丰富的新型水电解催化剂成为能源、材料、凝聚态物理、化学等领域的热点。电化学氢析出反应HER(HydrogenEvolutionReaction)被认为是水分解制氢的核心步骤之一。近期的研究结果表明，过渡金属的磷化物(如CoP，NiP2等)，硫化物(如MoS2，NiS2等)，硒化物(如NiSe2，FeSe2等)都具有较好的催化活性。一些三元的过渡金属催化剂(如CoPS，MoSCl等)由于含有较多的非金属成分，暴露出更多的活性位点，其HER性质会得到进一步的提升，甚至可以与商业上使用的Pt/C催化剂相媲美。另一方面，为了提升HER的活性，增大电催化的过程中的催化剂比表面积也成为一个非常重要的因素。较为常用的一种方法就是将催化材料通过物理或者化学方法，直接生长在三维导电衬底上(如镍网，导电碳布，铜网等)，这样在反应过程中产生的气泡和电解液可以快速的逸出和流动，从而降低的其对活性位点的阻隔。NiPS3作为一种新型的二维层状半导体材料，其在催化领域具有广泛的应用前景，收到了较多的关注。但是目前其制备方法主要通过真空封管烧结来完成，制备过程复杂，合成温度和时间较高，能源消耗较大。并且合成的多为纳米片结构，由于本身比表面积和负载量的问题，其HER性能并不是特别理想。因此发展一种高效可行的自支撑结构的NiPS3电极对其应用具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对NiPS3作为HER催化剂所存在的表面积低、制备过程所需温度较高的问题，而提出了一种较为简单的自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法，采用该方法制备的自支撑结构的NiPS3纳米片在碱性溶液中具有较好的HER反应活性和稳定性。本专利技术自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法按下列步骤实现：一、对碳布进行超声清洗，得到清洗后的碳布；二、按照化学计量比P:S＝1:3的比例将红磷粉和升华硫粉混合，研磨后得到磷硫粉混合物；三、将镍盐、尿素和氟化铵加入到超纯水中搅拌溶解，得到反应液；四、将清洗后的碳布浸入步骤三的反应液中，在100～160℃下水热反应6～10h，反应结束后取出碳布，清洗干燥后得到前驱体；五、将磷硫粉混合物倒入敞口反应器中，敞口反应器和前驱体一同放入刚玉舟中，盖上刚玉盖板，放入管式炉，使敞口反应器在管式炉的上游端，前驱体在下游端，然后将管式炉密封，抽出管内空气，通入氩气，管式炉升温过程分为两个阶段，第一阶段是以5℃/min的升温速率将炉温升到200℃～250℃，并保温20～40min，得到磷硫固溶体，第二阶段是以4℃/min的升温速率升温到350～650℃，并保温1.5～2.5h，自然冷却后取出碳布，清洗干燥后得到自支撑结构的NiPS3纳米片。本专利技术自支撑结构的NiPS3纳米片的应用是将自支撑结构的NiPS3纳米片作为电极应用于碱性溶液的HER催化反应中。本专利技术自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法是先通过水热的方法在导电碳布上合成Ni的前驱体，之后加热磷硫固溶体，升华后磷、硫蒸汽与Ni的前驱体在高温下发生反应，得到最终的自支撑结构的NiPS3纳米片。与现有高温固相合成的NiPS3纳米片相比，本专利技术得到的自支撑结构的NiPS3纳米片具有更大的比表面积，同时在三维结构的导电衬底上直接合成催化剂，有利于降低电荷转移电阻，促进产生的气泡析出。传统的NiPS3纳米片制备方法需要真空封管固相烧结，制备流程较为复杂，且烧结温度较高(700～800℃)，同时得到的样品需经过进一步的超声剥离才能得到纳米片状的材料。本专利技术可以在较低温度下得到NiPS3纳米片，并且纳米片可以以单片的结构垂直生长在导电碳布上，避免二次剥离的过程，比表面积较大。本专利技术自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法包括以下有益效果：1、本专利技术NiPS3纳米片催化剂包含的元素均为储量丰富的元素，价格低廉，环境友好，原料来源广泛，化学性质稳定；2、制备所需设备简单，合成温度较低，可以大幅度节约成本；3、制备条件较为宽泛，实际制备过程中较为容易制得相应产物；3、本专利技术NiPS3纳米片催化剂与导电衬底复合，结合紧密，可以直接用作HER电极，无需后续处理，有利于在工业上的大规模应用；4、以自支撑结构的NiPS3纳米片作为电极，其HER性质对比已报道的高温固相合成NiPS3纳米片有明显提升，且稳定性良好，具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例一中制备样品的扫描电子显微镜(SEM)照片；图2为本专利技术实施例一中制备样品的X射线衍射图，其中●代表NiS2，◆代表Ni(OH)2；图3为本专利技术实施例二中制备样品的扫描电子显微镜(SEM)照片；图4为本专利技术实施例二中制备样品的X射线衍射图；图5为本专利技术实施例三中制备样品的扫描电子显微镜(SEM)照片；图6为本专利技术实施例三中制备样品的X射线衍射图；图7为本专利技术实施例四中制备样品的扫描电子显微镜(SEM)照片；图8为本专利技术实施例四中制备样品的X射线衍射图，其中代表Ni17S18；图9为本专利技术实施例二制备样品在HER过程中的线性扫描伏安(LSV)曲线图；图10为本专利技术实施例二制备样品的电化学阻抗谱(EIS)曲线图；图11为本专利技术实施例二制备样品HER稳定性测试曲线图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法按下列步骤实现：一、对碳布进行超声清洗，得到清洗后的碳布；二、按照化学计量比P:S＝1:3的比例将红磷粉和升华硫粉混合，研磨后得到磷硫粉混合物；三、将镍盐、尿素和氟化铵加入到超纯水中搅拌溶解，得到反应液；四、将清洗后的碳布浸入步骤三的反应液中，在100～160℃下水热反应6～10h，反应结束后取出碳布，清洗干燥后得到前驱体；五、将磷硫粉混合物倒入敞口反应器中，敞口反应器和前驱体一同放入刚玉舟中，盖上刚玉盖板，放入管式炉，使敞口反应器在管式炉的上游端，前驱体在下游端，然后将管式炉密封，抽出管内空气，通入氩气，管式炉升温过程分为两个阶段，第一阶段是以5℃/min的升温速率将炉温升到200℃～250℃，并保温20～40min，得到磷硫固溶体，第二阶段是以4℃/min的升温速率升温到350～650℃，并保温1.5～2.5h，自然冷却后取出碳布，清洗干燥后得到自支撑结构的NiPS3纳米片。本实施方式步骤二中所述的红磷粉和硫粉均为分析纯。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法，其特征在于该制备方法是通过下列步骤实现：一、对碳布进行超声清洗，得到清洗后的碳布；二、按照化学计量比P:S＝1:3的比例将红磷粉和升华硫粉混合，研磨后得到磷硫粉混合物；三、将镍盐、尿素和氟化铵加入到超纯水中搅拌溶解，得到反应液；四、将清洗后的碳布浸入步骤三的反应液中，在100～160℃下水热反应6～10h，反应结束后取出碳布，清洗干燥后得到前驱体；五、将磷硫粉混合物倒入敞口反应器中，敞口反应器和前驱体一同放入刚玉舟中，盖上刚玉盖板，放入管式炉，使敞口反应器在管式炉的上游端，前驱体在下游端，然后将管式炉密封，抽出管内空气，通入氩气，管式炉升温过程分为两个阶段，第一阶段是以5℃/min的升温速率将炉温升到200℃～250℃，并保温20～40min，得到磷硫固溶体，第二阶段是以4℃/min的升温速率升温到350～650℃，并保温1.5～2.5h，自然冷却后取出碳布，清洗干燥后得到自支撑结构的NiPS3纳米片。

【技术特征摘要】
1.自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法，其特征在于该制备方法是通过下列步骤实现：一、对碳布进行超声清洗，得到清洗后的碳布；二、按照化学计量比P:S＝1:3的比例将红磷粉和升华硫粉混合，研磨后得到磷硫粉混合物；三、将镍盐、尿素和氟化铵加入到超纯水中搅拌溶解，得到反应液；四、将清洗后的碳布浸入步骤三的反应液中，在100～160℃下水热反应6～10h，反应结束后取出碳布，清洗干燥后得到前驱体；五、将磷硫粉混合物倒入敞口反应器中，敞口反应器和前驱体一同放入刚玉舟中，盖上刚玉盖板，放入管式炉，使敞口反应器在管式炉的上游端，前驱体在下游端，然后将管式炉密封，抽出管内空气，通入氩气，管式炉升温过程分为两个阶段，第一阶段是以5℃/min的升温速率将炉温升到200℃～250℃，并保温20～40min，得到磷硫固溶体，第二阶段是以4℃/min的升温速率升温到350～650℃，并保温1.5～2.5h，自然冷却后取出碳布，清洗干燥后得到自支撑结构的NiPS3纳米片。2.根据权利要求1所述的自支撑结构的NiPS3纳米片的制备方法，其特征在于步骤一中碳布经过丙酮、乙醇、超纯水分别超声清洗15～25min。3.根据权利要求1所述的自支...

【专利技术属性】
技术研发人员：王先杰，付强，林磊，宋波，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23