一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料、制备方法及其应用，首先将尿素与可溶性钴盐和铜盐溶液恒温加热反应并煅烧，在钼箔基底上生长出由CuCo

A Cu co s nano array / Mo foil composite, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料、制备方法及其应用
本专利技术涉及微纳米材料制备领域，具体涉及一种CuCo2S4纳米片阵列/钼箔复合材料、制备方法及其作为电分解水析氢反应催化剂的应用。
技术介绍
多年来全球化石燃料的大量使用，已给人们带来了非常严重的环境问题。例如雾霾、酸雨、不断变暖的全球气候等，都与化石燃料的长期和大量使用有关。除此之外煤炭，天然气和石油等化石燃料，由于短时间内难以再生，属于不可再生能源，那么不久的将来人类必然会面临化石燃料枯竭的问题。因此，发展高效、清洁、可再生的能源成了二十一世纪科学界的当务之急。各种可再生的清洁能源中，氢气是未来取代传统化石燃料的最有希望的候选者之一。氢气具有很高的燃烧热值，能源密度大，燃烧后只生成水，而且地球上氢元素储量丰富。所以氢气是一种非常优秀的可再生清洁能源。但是将氢气作为能源直接在实际生活中大规模应用，还有很多限制瓶颈，其中如何能够有效地制取氢气就是有待解决的重要问题。目前的多种制氢工艺中，基于电解水阴极发生的析氢反应可以产生纯净的氢气。由于制备条件简单、温和、原料易得等诸多优势，电解水制氢引起了人们极大的关注。但是因为析氢反应过电势的存在，导致电解水制氢过程能耗过高，使其实际使用效益较低，限制了电解水制氢工艺的实际应用，这需要高效的电催化剂来降低析氢反应的过电势。目前已知的高效的析氢反应催化剂如Pt、Pd等贵金属，但是，其价格较高且储量有限，这制约了其大规模应用到工业化生产中去。因此需要开发催化能力高且价格低廉的材料，来催化析氢反应，以实现电解水制氢工艺的大规模应用。近年来科学家通过研究发现，过渡金属硫化物与氢的结合能与贵金属相近，理论上具有催化析氢反应的性能，而且因其价格低廉，储量丰富，是替代贵金属作为电催化析氢反应催化剂的理想材料。但是，块体的过渡金属硫化物比表面积小，催化活性位点少，且电子传输性能较低，因此催化活性不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料，在导电性优良的钼箔表面合成出由颗粒构成的铜钴硫纳米片阵列，有效的增加了材料的催化位点，电极材料与电解液的接触面积，以及材料的导电性，从而使所制备的铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料具有良好的催化电解水析氢反应性能。本专利技术的另一目的在于提供一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料的制备方法，该方法制备过程简单，所需材料易得，价格低廉，实验设备和操作条件简单，反应可控易于大规模生产。本专利技术还有一个目的在于提供一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料作为电解水析氢反应的催化剂的应用。本专利技术具体技术方案如下：一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)、将钼箔置于含Cu2+、Co2+和尿素的溶液中，加热反应，反应结束，取出钼箔，清洗；2)、将清洗后的钼箔放入马弗炉中煅烧，得到CuCo2O4纳米片阵列/钼箔的复合材料；3)、将步骤2)制得的CuCo2O4纳米片阵列/钼箔的复合材料置于硫代乙酰胺溶液中，加热反应，反应结束，冷却至室温，取出钼箔，洗涤、干燥，即得铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料。步骤1)中所述含Cu2+、Co2+和尿素的溶液中Cu2+和Co2+的摩尔比为1：1～1：3；步骤1)中所述含Cu2+、Co2+和尿素的溶液中Cu2+的浓度为0.01～0.03mol/L，尿素的浓度为0.06～0.1mol/L。步骤1)中所述含Cu2+、Co2+和尿素的溶液的制备方法为：将铜盐、钴盐和尿素溶解于去离子水中，即得。步骤1)中所述铜盐为含结晶水或不含结晶水的可溶性铜盐中的任意一种；优选为二水合氯化铜、三水合硝酸铜或五水合硫酸铜；步骤1)中所述钴盐为含结晶水或不含结晶水的可溶性钴盐中的任意一种；优选为六水合硝酸钴或六水合氯化钴。进一步的，步骤1)中所述加热反应的条件为：80～120℃下，恒温加热反应5～8h。步骤2)中所述煅烧，具体为：空气中，450～550℃条件下，煅烧2～4h；步骤3)所述硫代乙酰胺溶液的浓度为0.06～0.1mol/L。采用本专利技术方法制备的CuCo2O4纳米片阵列/钼箔材料，在上述浓度的硫代乙酰胺溶液中硫化，按照本专利技术的反应条件，即可得到最终产物。步骤3)中所述加热反应的条件为：170～200℃条件下，恒温加热反应8～12h。本专利技术提供的一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料，采用上述方法制备得到，获得在Mo箔表面生长的由颗粒组成的CuCo2S4纳米片阵列材料。本专利技术提供的一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料的应用，具体作为电解水析氢的催化剂的应用。本专利技术制备的CuCo2S4纳米片阵列/钼箔复合材料可直接作为电极，用于催化电分解水析氢反应。电解水析氢反应是在室温下采用标准的三电极体系进行。所制备的铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料当作工作电极，碳棒作对电极，饱和Ag/AgCl电极作参比电极，电解液分别为0.5MH2SO4溶液和1MKOH溶液，以5mV/s的扫速进行线性扫描伏安(LSV)测试。本专利技术中首先将尿素与可溶性钴盐和铜盐恒温加热反应，在恒温加热反应条件下，尿素可水解生成NH3，然后NH3与水反应生成OH-。在溶液中，OH-与可溶性钴盐和铜盐提供的Co2+和Cu+2发生反应，在钼箔表面生成钴铜前驱体。随着反应时间的延长，所生成的钴铜前驱体逐渐生长成一维纳米结构并组成片层，从而在钼箔表面形成出由纳米线组成的纳米片阵列结构。通过在空气中进一步煅烧，钴铜前驱体转化为CuCo2O4，得到CuCo2O4纳米片阵列/钼箔复合材料。所制备的CuCo2O4纳米片阵列/钼箔复合材料中CuCo2O4纳米片是由纳米线构成的分级结构，不同于通常的单一结构纳米片。其后，以水作为溶剂，以硫代乙酰胺为硫源。在170～200℃的恒温加热环境下，溶解在去离子水中的硫代乙酰胺将逐渐水解，缓慢释放出硫离子。所释放的硫离子，将构成纳米片的CuCo2O4纳米线硫化，硫元素替代了CuCo2O4中的氧元素得到CuCo2S4。此外，因为硫离子是缓慢释放出来，硫化反应首先发生在CuCo2O4材料的表面，逐渐将CuCo2O4硫化为CuCo2S4。这使得原有的CuCo2O4构成的纳米片阵列结构得以保存，从而获得了由颗粒构成的CuCo2S4纳米片阵列/钼箔复合材料。相比于二元硫化物，本申请制备的三元硫族化合物CuCo2S4结合了Cu和Co两种金属硫化物的优点，有着良好的电化学性能和催化性能，作为电解水析氢反应催化剂具有性能上的优势。本专利技术制备的CuCo2S4纳米片是由颗粒构成，颗粒与颗粒间的空隙增大了材料的比表面积，提供更多的催化活性位点。CuCo2S4纳米片生长在具有良好导电性的钼箔基底上构成阵列结构，不仅可以提高析氢反应过程的电子传输速率，又增大了材料与电解液的接触面积，而且所制备的CuCo2S4纳米片阵列/钼箔复合材料可直接用作电极进行催化析氢反应。这些优点都极大地提高了所制备的CuCo2S4纳米片阵列/钼箔复合材料催化析氢反应的性能。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：/n1)、将钼箔置于含Cu

【技术特征摘要】
1.一种铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)、将钼箔置于含Cu2+、Co2+和尿素的溶液中，加热反应，反应结束，取出钼箔，清洗；
2)、将清洗后的钼箔放入马弗炉中煅烧，得到CuCo2O4纳米片阵列/钼箔的复合材料；
3)、将步骤2)制得的CuCo2O4纳米片阵列/钼箔的复合材料置于硫代乙酰胺溶液中，加热反应，反应结束，冷却至室温，取出钼箔，洗涤、干燥，即得铜钴硫纳米片阵列/钼箔复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述含Cu2+、Co2+和尿素的溶液中Cu2+和Co2+的摩尔比为1：1～1：3。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中步骤1)中所述含Cu2+、Co2+和尿素的溶液中Cu2+的浓度为0.01～0.03mol/L，尿素的浓度为0.06～0.1mol/L。


4.根据权利要求1所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟智，吴俊瑶，但德鑫，李慰，仇鑫，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34