一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片及其制备方法和应用，属于电解水制氢催化剂技术领域。本发明专利技术提供的制备方法包括如下步骤：(1)将钴源、硒源、镍源、氮源、水和二乙烯三胺混合，进行溶剂热反应，得到氮、镍共掺杂硒化钴前驱体；(2)将所述氮、镍共掺杂硒化钴前驱体进行洗涤和干燥，得到氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片。上述方法不需要使用贵金属，降低了成本，且制备工艺简单易于实施。实验结果表明，上述制备方法得到的氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片在1M KOH溶液中电解水制氢的过程中，当电流密度为10mA·cm

A Nitrogen-Nickel Co-doped Ultra-thin CoSelenium Nanosheet and Its Preparation Method and Application

The invention provides an ultrathin cobalt selenide nanosheet co-doped with nitrogen and nickel, a preparation method and application thereof, belonging to the technical field of hydrogen production catalyst for electrolytic water. The preparation method of the invention comprises the following steps: (1) mixing cobalt source, selenium source, nickel source, nitrogen source, water and diethylenetriamine to obtain cobalt selenide precursor co-doped with nitrogen and nickel by solvothermal reaction; (2) washing and drying the cobalt selenide precursor co-doped with nitrogen and nickel to obtain ultrathin cobalt selenide nanotablets co-doped with nitrogen and nickel. The above method does not need precious metals, reduces the cost, and the preparation process is simple and easy to implement. The experimental results show that the cobalt selenide ultrathin nanosheets co-doped with nitrogen and Nickel Prepared by the above methods can produce hydrogen by electrolysis of water in 1M KOH solution at a current density of 10mA.cm.

【技术实现步骤摘要】
一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片及其制备方法和应用
本专利技术涉及电解水制氢催化剂
，尤其涉及一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片及其制备方法和应用。
技术介绍
21世纪以来化石能源问题越来越严峻，由于化石燃料储量有限，随着人类不断开采利用，化石能源的枯竭将不可避免。考虑到上述问题，寻求一种新型的清洁、可再生能源是今后能源发展的方向。由于地球上水资源相当丰富，人们对水解领域的研究逐渐重视，通过将水分解为氢气和氧气，可以把光或电形式的能量转换为化学能存储起来。电化学分解水因为在整个过程中无其他的副产物生成，清洁环保无污染，因此电解水制氢得到了极大的关注，并已有大量的研究。电解水制氢需要使用催化剂，即阴极的析氢反应催化剂和阳极的析氧反应催化剂，目前性能最好且应用最为广泛的催化剂为铂(Pt)、铱(Ir)、钌(Ru)等贵金属催化剂，但这类催化剂价格昂贵，资源匮乏，所以寻找一种高效、稳定、廉价的可替代的电催化材料用于大规模电解水体系极为重要。过渡金属硫族化合物(TMCs)因其成本低，资源丰富，HER性能相对较好越来越受到科研工作者的关注。作为典型的TMC材料，硒化钴因其具有优良的金属性能，可以促进电荷在电极和催化剂的表面快速传输，而被认为是丰富、廉价、高效的析氢电催化剂。目前，有很多研究者对硒化钴的制备及电催化性能做了相关研究，研究主要集中于对硒化钴的掺杂。例如，TaoMeng等(InsitucouplingofCo0.85SeandN-dopedcarbonviaone-stepselenizationofmetal–organicframeworksasatrifunctionalcatalystforoverallwatersplittingandZn–airbatteries[J]，MengT,QinJ,WangS,etal.，JournalofMaterialsChemistryA,2017,5(15))制备了复合硒化钴纳米晶体和N-掺杂的碳，在一定程度上提高了硒化钴电催化活性，但该方法过程繁杂，不适合工业化生产和应用；ZhaoX等(EngineeringtheElectricalConductivityofLamellarSilver-DopedCobalt(II)SelenideNanobeltsforEnhancedOxygenEvolution[J]，ZhaoX,ZhangH,YanY,etal，AngewandteChemie,2017,56(1))以二维层状硒化钴纳米带为基础，通过离子交换法引入微量银离子，得到了银离子掺杂的硒化钴纳米催化剂，该方法也能够提高硒化钴电催化活性，但是该方法掺杂了金属银，价格昂贵，成本较高，也不适合工业化生产和应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片及其制备方法和应用，本专利技术提供的制备方法得到的氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片具有电催化活性高、成本低廉的优势，且该制备方法易于操作，适合工业化生产和应用。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的制备方法，包括如下步骤：(1)将钴源、硒源、镍源、氮源、水和二乙烯三胺混合，进行溶剂热反应，得到氮、镍共掺杂硒化钴前驱体；(2)将所述氮、镍共掺杂硒化钴前驱体进行洗涤和干燥，得到氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片。优选地，所述溶剂热反应在密闭条件进行；所述溶剂热反应的温度为160～220℃，时间为12～24h。优选地，按照钴原子、硒原子、镍原子和氮原子计，所述钴源、硒源、镍源和氮源的摩尔比为0.8～0.9:1:0.1～0.2:1～3。优选地，所述硒源中硒原子的物质的量与水的体积、二乙烯三胺的体积比为1mol:10～15mL:20～30mL。优选地，所述洗涤包括依次进行的醇洗和水洗。优选地，所述镍源为硝酸镍、氯化镍和乙酸镍中的至少一种。优选地，所述氮源为二氰二胺和尿素中的至少一种。优选地，所述硒源为亚硒酸钠；所述钴源为四水合乙酸钴。本专利技术还提供了一种上述技术方案所述的制备方法得到的氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片，所述氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的片层厚度小于10nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片或上述技术方案所述的氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片作为电解水制氢催化剂的应用。本专利技术提供了一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的制备方法，包括如下步骤：(1)将钴源、硒源、镍源、氮源、水和二乙烯三胺混合，进行溶剂热反应，得到氮、镍共掺杂硒化钴前驱体；(2)将所述氮、镍共掺杂硒化钴前驱体进行洗涤和干燥，得到氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片。本专利技术通过溶剂热反应得到氮、镍共掺杂硒化钴前驱体，在溶剂热反应过程中，钴源、硒源反应生成硒化钴，镍源中的镍原子取代部分硒化钴中的钴原子，氮源中的氮原子取代部分硒化钴中的硒原子，二乙烯三胺中的氨基引导金属硒化钴排列为片层结构；本专利技术将氮、镍共掺杂硒化钴前驱体经洗涤去除前驱体中的阴离子杂质和二乙烯三胺，然后干燥，即可得到氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片。上述方法不需要使用贵金属，降低了成本，且制备工艺简单易于实施。实验结果表明，上述制备方法得到的氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片在1MKOH溶液中电解水制氢的过程中，当电流密度为10mA·cm-2时，过电压为220mV，明显低于硒化钴、氮掺杂硒化钴和镍掺杂硒化钴，具有优异的电催化性能。附图说明图1实施例1所得氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的XRD图；图2实施例1所得氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的SEM图和TEM图；图3实施例2所得氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的SEM图和TEM图；图4实施例2所得氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的XPS图；图5实施例3所得氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的SEM图和TEM图；图6实施例4所得氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的SEM图和TEM图；图7实施例5所得氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的SEM图和TEM图；图8实施例5和对比例1所得产品的交流阻抗图；图9实施例5和对比例1～3所得产品在1MKOH溶液中电解水制氢的极化曲线；图10实施例5所得氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的循环稳定性测试图；图11实施例5和对比例1～3所得产品在1MKOH溶液中电解水制氢的循环伏安曲线；图12实施例5和对比例1～3所得产品在1MKOH溶液中电解水制氢的电容电流与扫速的关系图。具体实施方式本专利技术提供了一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的制备方法，包括如下步骤：(1)将钴源、硒源、镍源、氮源、水和二乙烯三胺混合，进行溶剂热反应，得到氮、镍共掺杂硒化钴前驱体；(2)将所述氮、镍共掺杂硒化钴前驱体进行洗涤和干燥，得到氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片。本专利技术将钴源、硒源、镍源、氮源、水和二乙烯三胺混合，进行溶剂热反应，得到氮、镍共掺杂硒化钴前驱体。在本专利技术中，溶剂热反应过程中，钴源、硒源反应生成硒化钴，镍源中的镍原子取代部分硒化钴中的钴原子，氮源中的氮原子取代部分硒化钴中的硒原子，二乙烯三胺中的氨基引导金属硒化钴排列为片层结构，起到软模板的作用。在本专利技术中，所述硒源优选为亚硒酸钠；所述钴源优选为四水合乙酸钴；所述镍源优选为硝酸镍、氯化镍和乙酸镍中的至少一种；所述氮源优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将钴源、硒源、镍源、氮源、水和二乙烯三胺混合，进行溶剂热反应，得到氮、镍共掺杂硒化钴前驱体；(2)将所述氮、镍共掺杂硒化钴前驱体进行洗涤和干燥，得到氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将钴源、硒源、镍源、氮源、水和二乙烯三胺混合，进行溶剂热反应，得到氮、镍共掺杂硒化钴前驱体；(2)将所述氮、镍共掺杂硒化钴前驱体进行洗涤和干燥，得到氮、镍共掺杂硒化钴超薄纳米片。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂热反应在密闭条件进行；所述溶剂热反应的温度为160～220℃，时间为12～24h。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按照钴原子、硒原子、镍原子和氮原子计，所述钴源、硒源、镍源和氮源的摩尔比为0.8～0.9:1:0.1～0.2:1～3。4.如权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述硒源中硒原子的物质的量与水的体积、二乙烯三胺的体积比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯莉，高佳佳，姜洋，周妍妍，郭园园，高发明，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13