一种三元金属硫化物纳米片材料及其制备与电解水应用制造技术

本发明专利技术涉及一种三元金属硫化物纳米片材料及其制备与电解水应用，材料的制备方法包括以下步骤：1)将泡沫金属进行预处理，得到基体；2)将氯化铁及硫化钠加入至水中，得到混合溶液；3)将基体放入至混合溶液中，进行水热反应，后经洗涤、干燥，即得到三元金属硫化物纳米片材料；该材料作为催化剂，用于电解水反应中。与现有技术相比，本发明专利技术制备的三元金属硫化物纳米片材料不仅电催化性能优异，制备工艺简单，而且其成本低廉，可在不同的电流密度下进行稳定高效的析氢反应、析氧反应和全水分解，在规模化制氢应用中具有巨大的潜在价值。

【技术实现步骤摘要】
一种三元金属硫化物纳米片材料及其制备与电解水应用
本专利技术属于材料、能源
，涉及一种通用的超薄三元金属硫化物纳米片材料及其制备方法与电解水应用。
技术介绍
随着化石燃料消耗量的不断增加和环境污染的日益严重，具有无碳排放和高质量能量密度的氢被认为是未来最有前途的能源载体之一。电化学水分解与间歇性太阳能、风能相结合，为氢燃料的生产提供了一种可持续可行的方法。在电解水过程中，主要发生两种电极半反应，即析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。然而由于这两种半反应的热力学和动力学过程中能垒的存在，其需要较高的过电势来驱动水分解。研究表明，为了解决上述问题，可以在电解水反应过程中引入高效的电催化剂以促进电子和质子的交换过程，从而降低反应能垒。目前，贵金属系金属和Ru/Ir基氧化物分别是加速HER和OER的基准电催化剂。然而，这些珍贵催化剂的自然丰度低、成本高，极大地制约了它们的规模化应用。因此，开发成本低廉、性能优越的非贵金属基电催化剂来替代贵金属基催化剂尤为关键。在过去的几十年里，各种各样的金属材料，如磷化物、硒化物、碳化物、硫化物和氮化物都因其成本低廉、来源丰富、储量大以及导电性好而被广泛地研究，期望在电解水催化剂领域有所应用。但是，由于这些金属硫化物大多数具有本征活性不尽如人意，三维结构包埋了较多的活性位点等限制，使得其需要通过形貌工程和电子结构调节来促进催化过程的进行。前者的目的是创造理想的大小和形状，以增加可达的表面积和暴露更多的活性位点，而后者的策略主要涉及异质结构构建或杂原子掺杂，以优化本征催化活性。然而，这些方法存在工艺流程复杂、工艺过程不稳定、效率较低等弊端，应用受到较大限制。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了提供一种三元金属硫化物纳米片材料及其制备方法与电解水应用，其工艺高效稳定，工艺流程简单，能有效节约能源，可用于催化析氢反应、析氧反应以及全水分解。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种三元金属硫化物纳米片材料的制备方法，该方法包括以下步骤：1)将泡沫金属进行预处理，得到基体；2)将氯化铁及硫化钠加入至水中，得到混合溶液；3)将基体放入至混合溶液中，进行水热反应，后经洗涤、干燥，即得到所述的三元金属硫化物纳米片材料。进一步地，步骤1)中，所述的泡沫金属为泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫铝、泡沫钴或泡沫锌中的一种。进一步地，步骤1)中，预处理过程为：先将泡沫金属超声清洗，之后进行烘干。进一步地，超声清洗过程为：依次用丙酮、乙醇、去离子水作为清洗剂，分别超声清洗5-15min；烘干过程中，温度为50-80℃。进一步地，步骤2)中，所述的氯化铁选用氯化铁的水合物，所述的硫化钠选用硫化钠的水合物，并且所述的氯化铁与硫化钠的摩尔比为1:(1-6)。优选地，所述的硫化钠与氯化铁的质量之比为(0.2-6)mg:(0.2-2)mg。进一步地，步骤3)中，水热反应过程中，温度为100-220℃，时间为1-48h。进一步地，步骤3)中，洗涤过程中，采用水和/或乙醇作为洗涤剂；干燥过程中，温度为50-80℃，时间为5-20h。一种三元金属硫化物纳米片材料，该材料采用所述的方法制备而成。一种三元金属硫化物纳米片材料的应用，所述的材料作为催化剂，用于电解水反应中。进一步地，所述的材料用于电解水的析氢反应、析氧反应或全水分解中。本专利技术制备的三元金属硫化物纳米片材料，用于催化析氢反应过程时，具体步骤为(以Fe0.9Ni2.1S2@NF为例)：将制备好的Fe0.9Ni2.1S2@NF电催化剂作为工作电极，以Hg/HgO作为参比电极，碳棒作为对电极。在氮气饱和的1.0MKOH溶液中测试HER的电化学性能，包括线性扫描伏安测试和时间-电流密度测试。用于催化析氧过程时，具体步骤为(以Fe0.9Ni2.1S2@NF为例)：将制备好的Fe0.9Ni2.1S2@NF电催化剂作为工作电极，以Hg/HgO作为参比电极，碳棒作为对电极。在氧气饱和的1.0MKOH溶液中测试OER的电化学性能，包括线性扫描伏安测试和时间-电流密度测试。用于催化全水分解时，具体步骤为(以Fe0.9Ni2.1S2@NF为例)：将制备好的Fe0.9Ni2.1S2@NF电催化剂分别作为阴极和阳极。在饱和的1.0MKOH溶液中测试全水分解的电化学性能，包括线性扫描伏安测试和时间-电流密度测试。本专利技术以商业泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝或泡沫钛等泡沫金属为基体，通过对其进行硫化钠原位刻蚀以及铁掺杂诱导二维化反应，制得了负载于基体上的三元金属硫化物纳米片阵列的自支撑型电催化剂材料。该催化剂材料是采用在泡沫金属基体上直接刻蚀的合成工艺，无需消耗任何能源即可形成独特的二维支撑型结构。这种超薄的结构拥有较大的比表面积，较快的传质和电子传输能力。此外，降低的活性中心电子云密度可以显著地降低了催化剂对氢/氧中间体的吸附自由能。这些优点促使其在进行析氢反应、析氧反应以及全水分解时展现出优异的电催化性能(例如，在1.0M的KOH溶液中，Fe0.9Ni2.1S2@NF的HER过电势：η10mAcm-2＝72mV，OER过电势：η10mAcm-2＝252mV，全水分解电位：η10mAcm-2＝1.51V)，并且在不同的电流密度下都能保持极高的稳定性(例如，在1.0M的KOH溶液中，Fe0.9Ni2.1S2@NF析氢、析氧电催化剂可以在10mAcm-2和100mAcm-2电流密度下24h后几乎没有衰减，该全水分解电催化剂可以在10mAcm-2电流密度下100h后没有衰减，并且可以保持10mAcm-2电流密度近100％的稳定性)。本专利技术所制备的超薄三元金属硫化物纳米片电催化剂材料不仅电催化性能优异，制备工艺简单，而且其原料来源广泛，成本低廉，可在不同的电流密度下进行稳定高效的析氢反应、析氧反应和全水分解，保持极低的反应耗能，在规模化制氢应用中具有巨大的潜在价值。与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：1)本专利技术制备的三元金属硫化物纳米片材料具有超薄特征和更高的表面积与体积比的有序二维结构，能够确保活性位点的充分暴露和快速电荷/电子转移。2)本专利技术首次开发了一种简便、通用和可扩展的方法，将泡沫金属(MF，M＝Ni，Cu，Ti，Al等)在Fe掺入的情况下，通过Na2S诱导的化学蚀刻工艺，在MF上原位转化为原子薄的三元金属硫化物阵列。3)Fe的掺杂引入不仅促进了具有丰富活性位点的纳米片阵列的形成，而且有效地降低了具有最佳内在活性的表面活性中心的电子密度。附图说明图1为实施例1中制备的Fe0.9Ni2.1S2@NF电催化剂(左图)与不加氯化铁制备的Ni3S2@NF电催化剂(右图)的扫描电镜图(SEM)；图2为实施例1中制备的Fe0.9Ni2.1S2@NF电催化剂的透射电镜图(TEM)；图3为实施例1中制备的Fe0.9Ni2.1S2@NF电催化剂的X射线衍射能谱分析图(XRD)；图4为实施例1中制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三元金属硫化物纳米片材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n1)将泡沫金属进行预处理，得到基体；/n2)将氯化铁及硫化钠加入至水中，得到混合溶液；/n3)将基体放入至混合溶液中，进行水热反应，后经洗涤、干燥，即得到所述的三元金属硫化物纳米片材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种三元金属硫化物纳米片材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将泡沫金属进行预处理，得到基体；
2)将氯化铁及硫化钠加入至水中，得到混合溶液；
3)将基体放入至混合溶液中，进行水热反应，后经洗涤、干燥，即得到所述的三元金属硫化物纳米片材料。


2.根据权利要求1所述的一种三元金属硫化物纳米片材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的泡沫金属为泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫铝、泡沫钴或泡沫锌中的一种。


3.根据权利要求1所述的一种三元金属硫化物纳米片材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，预处理过程为：先将泡沫金属超声清洗，之后进行烘干。


4.根据权利要求3所述的一种三元金属硫化物纳米片材料的制备方法，其特征在于，超声清洗过程为：依次用丙酮、乙醇、去离子水作为清洗剂，分别超声清洗5-15min；烘干过程中，温度为50-80℃。


5.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴仁兵，费奔，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31