花状CuCo2S4纳米球结构催化剂的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一步溶剂热法合成的花状的CuCo2S4纳米球，在这一过程中二维纳米片的组成的高度开放的三维的分层纳米花结构，从而更有利于催化活性位点的暴露；并且随着Co元素的掺杂，导致晶格结构的变化，二价的Co离子取代二价的Cu离子，这也是该催化剂催化性能提高的有效因素。在本发明专利技术中所制得的花状的CuCo2S4纳米球具催化剂有良好的析氢析氧性能，在全解水过程中仅需1.68V外加电压的驱动，就可以达到10mA cm

【技术实现步骤摘要】
花状CuCo2S4纳米球结构催化剂的制备方法及其应用
本专利技术涉及一种催化剂的制备方法，具体涉及花状CuCo2S4纳米球结构催化剂的制备方法及其应用。
技术介绍
随着环境污染的日益加剧和化石能源的日渐枯竭，人们急需寻找对生态友好的可持续能源。氢气因为它具有清洁，可持续和再生的特性，被认为是最理想的替代能源之一。电化学分解水具有成本低，效率高的优点，是生产高纯氢气的有效方法，然而，在实际工业生产中利用电化学分解水技术制得氢气的过程中，需要在电解槽施加过量的电位，导致电解水在实际应用中实际的电耗过大，据研究表明，涉及四电子转移的阳极反应即析氧反应为电化学分解水过程中能量消耗最多的步骤，它已经成为电解水及能量转化和储存领域的发展瓶颈。迄今为止，商业电解水所用的催化剂依旧依赖于贵金属如Pt/C、RuO2，其高额的生产成本限制了工业大规模应用，因此开发催化性能良好且价格低廉、环境友好的非贵金属电解水催化剂是打破目前电解水制氢瓶颈的关键所在。为了寻找这类价格低廉、催化性能良好且对环境友好的非贵金属催化剂，过渡金属掺杂特别是尖晶石型氧化物已得到了深入而广泛的研究，例如，具有钙钛矿类晶石结构(AB2O4)的催化剂已经广泛应用于电解水领域，Co3O4，NiCo2O4，FeCo2O4，MnCo2O4等在碱性电解液中具有电解水析氢或析氧性能。但是类尖晶石结构的过渡金属硫化物用于电解水性能测试的却很少，目前报道的有NiCo2S4，FeCo2S4等硫掺杂的类尖晶石类硫化物。另外，尖晶石型过渡金属硫化物通常具有差的电子传递性，因此极大地限制了它们在商业中的应用。为了解决这些问题，我们通常采用两种方法来增强硫化物材料的导电性。一种方法是将过渡金属硫化物与石墨烯或其他碳质材料复合，另一种方法是开发具有定制形态和尺寸的具有较高比表面积的纳米材料。此外，对于硫化物的研究受到结构的限制，发展方向往往集中在制备更加多元的硫化物上如四元硫化物，然而，过多元素的掺杂会导致结构的不稳定，这是与开发这类长效稳定催化剂的初衷相悖的。因此,寻找新型掺杂的类尖晶石类硫化物的任务尤为迫切。
技术实现思路
为解决现有技术中尖晶石结构的催化剂导电性能较差，阻碍了电子的传递等问题，本专利技术提供花状CuCo2S4纳米球结构催化剂，从纳米材料的结构入手，以暴露更多的催化活性位点为目标，通过改变产物的生成条件，通过一步溶剂热法合成一种三维的片层高度开放的纳米花结构催化剂，从而更有利于催化活性位点的暴露，而且通过性能测试本专利技术中一步溶剂热法得到的花状的纳米球具有良好的析氢析氧性能。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：花状CuCo2S4纳米球结构催化剂，CuCo2S4纳米球结构催化剂为三维的分层纳米花结构。花状CuCo2S4纳米球结构催化剂的制备方法，花状CuCo2S4纳米球结构催化剂采用一步水热法合成，包括下列步骤：步骤1将Cu(NO3)2·6H2O和Co(NO3)2·6H2O超声溶解在乙二醇中，待完全溶解后，得到混合溶液A；步骤2向混合溶液A中加入CTAB，完全溶解后，放置于搅拌器上搅拌6h，得到混合溶液B；步骤3称取TAA溶解在混合溶液B中，搅拌30min，装入高压反应釜中，于180℃反应15h；待反应结束后，取出黑色产物，洗涤、干燥，得到黑色粉末。优选地，步骤1中，Cu(NO3)2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O、乙二醇的用量比为0.25mmol：0.5mmol：30mL；步骤1中Cu(NO3)2·6H2O、步骤2中CTAB的CTAB、步骤3中的TAA的用量比为0.25mmol：1.5mmol：0.1142g。花状CuCo2S4纳米球结构催化剂制备的电解水电极：步骤A、将花状CuCo2S4纳米球结构催化剂、乙醇、5％的萘芬(质量分数)，混合得到催化剂浆液；步骤B、将步骤A得到的催化剂浆液滴涂至泡沫镍上，晾干，压制成薄片，得到电解水电极。优选地，所述花状CuCo2S4纳米球结构催化剂、乙醇、5％的萘芬(质量分数)的用量比为2mg：400uL：30uL；压制成薄片的压制压力为8MP。花状CuCo2S4纳米球结构催化剂制备的电解水电极在电解水中的应用。优选地，电解水电极在电解水析氢、电解水析氧或全电解水中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：(1)本专利技术从纳米材料的结构入手，以暴露更多的催化活性位点为目标，通过改变产物的生成条件，通过一步溶剂热法合成了花状的CuCo2S4纳米球，在这一过程中二维纳米片的组成的高度开放的三维的分层纳米花结构，从而更有利于催化活性位点的暴露，解决现有技术中尖晶石结构的催化剂导电性能较差，阻碍了电子的传递的问题；(2)本专利技术中所制得的花状的CuCo2S4纳米球催化剂中随着Co元素的掺杂，导致晶格结构的变化，二价的Co离子取代二价的Cu离子，使该催化剂催化性能提高，进而该催化剂具有良好的析氢析氧性能，在全解水过程中仅需1.68V外加电压的驱动，就可以达到10mAcm-2的电流密度，并且在一定的外加电压下持续电解12h，电流密度几乎保持不变，在整个电解水过程中表现出优异的稳定性；(3)花状的CuCo2S4纳米球催化剂制备方法简单，而且铜离子掺杂具有的价格优势和性能优势。附图说明图1(a-f)为本专利技术实施例1中花状CuCo2S4纳米球结构催化剂的扫描电镜图，mapping图谱，XRD图谱，其中，(a)0％Co、(b)33％Co、(c)50％Co、(d)67％Co、(e)80％Co、(f)100％Co的扫描电镜图；(g)67％Co的放大扫描电镜图；(h)为67％Co样品的mapping图谱；(i)为67％Co样品的XRD图谱。图2(a)为本专利技术实施例3中不同催化剂的线性扫描伏安曲线，其中，(a1)Co含量为67％的CuCo2S4、(a2)商业Pt/C、(a3)空白泡沫镍；(b)Co含量为67％的CuCo2S4在iR补偿前后的线性扫描伏安曲线，(c)为不同Co含量的催化剂线性扫描伏安曲线，其中扫描速率均为2mVs-1，(d)为不同Co含量的催化剂在电流密度为10mAcm-2时所对应的过电势，(e)为不同Co含量的催化剂所对应的塔菲尔斜率，(f)为CuCo2S4在一定外加电压下计时电流曲线。图3(a)为本专利技术实施例4中不同催化剂的线性扫描伏安曲线，其中，(a1)Co含量为67％的CuCo2S4、(a2)商业Pt/C、(a3)空白泡沫镍；(b)Co含量为67％即CuCo2S4在iR补偿前后的线性扫描伏安曲线，(C)为不同Co含量的催化剂线性扫描伏安曲线，其中扫描速率均为2mVs-1，(d)为不同Co含量的催化剂在电流密度为10mAcm-2时所对应的过电势，(e)为不同Co含量的催化剂所对应的塔菲尔斜率，(f)为CuCo2S4在一定外加电压下计时电流曲线。图4(a)为本专利技术实施例5中(a1)商业Pt/C||Pt/C和(a2)CuCo2S4||CuCo2S4电解池在1MKOH电解液中的极化曲线，(b)为CuCo2S4||CuCo2S4电解池在1MKOH电解液在恒电压1.98V下的计时电流曲线。具体实施方式：为了更好的理解本专利技术，下面结合实施实例进一步阐述本专利技术的内容，但本专利技术的内容并不仅仅局限于下述的实施例。实施例1、(一)花状CuCo2S4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.花状CuCo2S4纳米球结构催化剂，其特征在于，CuCo2S4纳米球结构催化剂为三维的分层纳米花结构。

【技术特征摘要】
1.花状CuCo2S4纳米球结构催化剂，其特征在于，CuCo2S4纳米球结构催化剂为三维的分层纳米花结构。2.权利要求1所述的花状CuCo2S4纳米球结构催化剂的制备方法，其特征在于，花状CuCo2S4纳米球结构催化剂采用一步水热法合成，包括下列步骤：步骤1将Cu(NO3)2·6H2O和Co(NO3)2·6H2O超声溶解在乙二醇中，待完全溶解后，得到混合溶液A；步骤2向混合溶液A中加入CTAB，完全溶解后，搅拌6h，得到混合溶液B；步骤3称取TAA溶解在混合溶液B中，搅拌30min，装入高压反应釜中，于180℃反应15h；待反应结束后，取出黑色产物，离心洗涤、干燥，得到黑色粉末。3.根据权利要求2所述的花状CuCo2S4纳米球结构催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中，Cu(NO3)2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O、乙二醇的用量比为0.25mmol：0.5mmol：30mL；步骤1中Cu(NO3)2·6H2O、步骤2中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘山虎，李胜男，许银霞，邢瑞敏，冯彩霞，杨浩，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南,41