本发明专利技术涉及电催化水分解产氢技术领域，特别涉及一种催化水分解产氢的电催化剂Ni3S2@NiOOH@NF及其制备方法和应用。催化剂以泡沫镍(NF)为基底和镍源，以硫化钠水溶液为硫化剂，通过水热法和电沉积法获得。所述Ni3S2@NiOOH复合催化剂呈呈多级孔道核壳结构，有利于材料与电解质充分接触。Ni3S2@NiOOH以泡沫镍作为镍源生长，与基底结合非常牢固，有利于电荷的快速传递。本发明专利技术所得催化剂在碱性电解质中，在较低的过电位下，表现出良好的电催化活性；并且在不同的电流密度下测试45个小时后稳定性没有明显降低，可以有效应用于电催化水分解产氢领域。
Electrocatalyst for catalytic decomposition of water to produce hydrogen and preparation method and application thereof
The invention relates to the field of electrocatalytic water decomposition and hydrogen production, in particular to an electrocatalyst Ni3S2@NiOOH@NF for catalytic water decomposition and hydrogen production, and the preparation and application of the electrocatalyst. The catalyst was based on nickel foam (NF) and nickel, and sodium sulfide aqueous solution was used as sulfurizing agent. The Ni3S2@NiOOH composite catalyst presents a multi-stage core shell structure, which is favorable for full contact between the material and the electrolyte. Ni3S2@NiOOH foamed nickel as a source of nickel, which is very firmly bonded to the substrate, which is conducive to the fast transfer of charge. The catalyst has good electrocatalytic activity under the lower overpotential in the alkaline electrolyte, and the stability is not obviously reduced after 45 hours of testing at different current densities, and it can be effectively applied to the field of hydrogen production by electrocatalytic water decomposition.
【技术实现步骤摘要】
一种催化水分解产氢的电催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及电催化水分解产氢
，特别涉及一种催化水分解产氢的电催化剂Ni3S2@NiOOH@NF及其制备方法和应用。
技术介绍
电化学方法催化水分解是生产清洁氢燃料极其有前景的一种方法。水分解包括两个半反应：产氢反应(HER)和产氧反应(OER)，电催化剂在降低过电位中起着重要作用，它可以提高电催化的效率。据报道催化产氢一般在酸性条件下发生，产氧一般在碱性环境下发生。但是电解过程中设备在酸性条件下很难长期稳定的工作。贵金属催化剂比如铂或钯，有较好的催化活性，但是它们稀有而且成本高，从而限制了它们的应用。因此，发展催化效率高、成本低的非贵金属催化剂在碱性介质中的应用非常重要。目前为止，基于过渡金属Fe、Co、Ni的催化剂由于其地球含量丰富、催化活性好、成本低被广泛应用于催化产氢，然而这些非贵金属催化水分解时仍然面临着一些挑战，比如催化效率低、过电位高、稳定性差等。人们将大量精力致力于设计纳米结构材料、可控异质复合物和金属掺杂等以提高催化产氢效率。特别地，3D泡沫镍引起了广泛的兴趣，不仅仅因为它内在的特性(比如超强导电性、多孔结构)，而且因为它灵活的基质可用于形成多层纳米结构。许多基于Ni的催化剂都来源于3D泡沫镍，包括氧化物、硫化物、氢氧化物等，此外与金属氧化物相比，金属硫化物具有更高的电导率(如二硫化三镍的导电性甚至与金属相当)，有利于电子在催化过程中的传递。然而，金属硫化物通常采用磁控溅射法、化学气相沉积法、超声合成法、表面活性剂辅助合成法、水热/溶剂热法等方法制备，但是这些方法过程比较复杂，操作条件较苛刻，从而限制了它们的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型简便而且环保绿色的催化水分解产氢的电催化剂及其制备方法和应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种催化水分解产氢的电催化剂，催化剂以泡沫镍(NF)为基底和镍源，以硫化钠水溶液为硫化剂，通过水热法和电沉积法获得呈多级孔道核壳结构的催化剂。进一步的说，将预处理过的泡沫镍于反应釜中进行水热反应得Ni3S2@NF，而后将所得Ni3S2@NF作为工作电极在硼酸盐缓冲溶液中进行电化学沉积，进行电化学氧化后得到Ni3S2@NiOOH@NF催化剂。其中，Ni3S2@NF的获得是将处理好的泡沫镍垂直放入含有0.3MNa2S水溶液的反应釜中，置于烘箱中120℃水热反应10h左右，形成Ni3S2@NF催化剂。参见文献：N.Jiang,Q.Tang,M.Sheng,B.You,D.Jiang,Y.Sun,Nickelsulfidesforelectrocatalytichydrogenevolutionunderalkalineconditions:acasestudyofcrystallineNiS,NiS2,andNi3S2nanoparticles,Catal.Sci.Technol.2016,6,1077–1084。一种催化水分解产氢的电催化剂的制备方法，催化剂以泡沫镍(NF)为基底和镍源，以硫化钠水溶液为硫化剂，通过水热法和电沉积法获得呈多级孔道核壳结构的催化剂。进一步的说，将预处理过的泡沫镍于反应釜中进行水热反应得Ni3S2@NF，而后将所得Ni3S2@NF作为工作电极在硼酸盐缓冲溶液中进行电化学沉积，进行电化学氧化后得到Ni3S2@NiOOH@NF催化剂。所述电沉积施加偏压1.2伏，硼酸盐缓冲溶液为电解质溶液中电化学沉积的时间为800秒。所述硼酸盐缓冲溶液的pH为9.18。一种催化水分解产氢的电催化剂的应用，所述催化剂Ni3S2@NiOOH@NF在用于电催化产氢中的应用。本专利技术的显著优点在于：本专利技术基于镍金属的硫化镍-碱性氧化镍混合电催化剂，其采用价廉、无毒的泡沫镍载体、Na2S水溶液和硼酸盐缓冲溶液为原料，通过水热法和电化学沉积法制备获得Ni3S2@NiOOH@NF，无需经过任何复杂的处理，该催化剂的制备流程简单、绿色无污染而且活性和稳定性高，可实现在低过电位下将水分解为氢气这一清洁燃料；具体：(1)本专利技术催化剂采用简单的水热法和电化学沉积法制备，制备方法简单易行，与传统方法相比，不需要复杂的工艺过程、较长的反应时间。(2)本专利技术催化剂的制备采用非昂贵和无毒性的泡沫镍载体、Na2S水溶液和硼酸盐缓冲溶液为原料，所获得催化剂其在碱性介质中对产氢反应有较好的催化活性和稳定性。(3)本专利技术所制备的催化剂用于电解水制氢，反应高效，操作简单，廉价实用，并且制备的催化剂呈现核壳结构，具有较好的催化活性和稳定性，具有很好的实用价值和应用前景。附图说明图1为实施例1所制催化剂Ni3S2@NF(a)，Ni3S2@NiOOH@NF(b)的XRD图。图2为实施例1所制催化剂的扫描电镜图(SEM)和EDS图：(a-b)Ni3S2@NF催化剂的SEM图；(c-d)Ni3S2@NiOOH@NF催化剂的SEM图；(e)Ni3S2@NF催化剂的EDS图；(f)Ni3S2@NiOOH@NF催化剂的EDS图。图3为实施例1所制催化剂Ni3S2@NiOOH@NF的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图和TEM图。图4为实施例1所制催化剂的XPS图：(a)Ni3S2@NF的Ni2p；(b)Ni3S2@NF的S2p；(c)Ni3S2@NiOOH@NF的Ni2p；(d)Ni3S2@NiOOH@NF的O1s。图5为实施例2中不同沉积时间下Ni3S2@NF催化剂的线性扫描伏安(LSV)曲线。图6为实施例3中不同催化剂的LSV曲线(a)和塔菲尔斜率曲线(b)。图7为实施例4中Ni3S2@NF(a)和Ni3S2@NiOOH@NF催化剂(b)的电流密度与扫速的关系。曲线上的数值为该催化剂材料的比电容。图8为实施例5中Ni3S2@NiOOH@NF催化剂在不同电流密度下的稳定性测试图。(a)100mA/cm2，(b)200mA/cm2，(c)250mA/cm2图9为实施例6中(a)催化剂Ni3S2@NF和(b)Ni3S2@NiOOH@NF在不同过电位下的奈奎斯特图，(c)过电位为200mV下催化剂Ni3S2@NF和Ni3S2@NiOOH@NF的奈奎斯特图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的制备过程、表征及性能测试结果作进一步的描述。本专利技术催化剂以泡沫镍(NF)为基底和镍源，以硫化钠水溶液为硫化剂，通过简单的水热法和电沉积法获得直接生长在泡沫镍上的Ni3S2和NiOOH复合催化剂，无需进一步处理。该制备方法具有工艺简单、成本低、对环境无污染等优点。所述Ni3S2@NiOOH复合催化剂呈核壳结构，有利于材料与电解质充分接触。Ni3S2@NiOOH以泡沫镍作为镍源生长，与基底结合非常牢固，有利于电荷的快速传递。本专利技术所得催化剂在碱性电解质(0.1MNaOH)中，在较低的过电位下，表现出良好的电催化活性；并且在不同的电流密度下测试45个小时后稳定性没有明显降低，可以有效应用于电催化水分解产氢领域。实施例1Ni3S2@NiOOH@NF催化剂制备的具体步骤：首先将处理好的泡沫镍垂直放入含有0.3MNa2S水溶液的反应釜中，置于烘箱中120℃水热反应10h左右，形成Ni3S2@NF催化剂。参见文献：N.Jiang,Q.Tang,本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种催化水分解产氢的电催化剂，其特征在于：催化剂以泡沫镍(NF)为基底和镍源，以硫化钠水溶液为硫化剂，通过水热法和电沉积法获得呈多级孔道核壳结构的催化剂。
【技术特征摘要】
1.一种催化水分解产氢的电催化剂，其特征在于：催化剂以泡沫镍(NF)为基底和镍源，以硫化钠水溶液为硫化剂，通过水热法和电沉积法获得呈多级孔道核壳结构的催化剂。2.按权利要求1所述的催化水分解产氢的电催化剂，其特征在于：将预处理过的泡沫镍于反应釜中进行水热反应得Ni3S2@NF，而后将所得Ni3S2@NF作为工作电极在硼酸盐缓冲溶液中进行电化学沉积，进行电化学氧化后得到Ni3S2@NiOOH@NF催化剂。3.一种权利要求1所述的催化水分解产氢的电催化剂的制备方法，其特征在于：催化剂以泡沫镍(NF)为基底和镍源，以硫化钠水溶液为硫化剂，通过水热法和电沉积法获得呈多级孔道核壳结构的催化剂。4.按权利要求3所述的催化水分...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘爱骅，王秀秀，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37
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