镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂及其制备方法和应用，该复合电催化剂包括镍改性碳化木，其细胞壁上生长有NiS/Ni3S4异质结，镍改性碳化木包括碳化木和镶嵌在其细胞壁上的镍金属颗粒。其制备方法包括制备吸附镍离子的木片和镍改性碳化木以及将镍改性碳化木、硝酸镍/有机硫源的混合溶液混合通过水热反应得到上述复合电催化剂。本发明专利技术镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂具有电化学活性面积高、传质传电能力好、UOR催化活性优异等优点，是一种性能优异的新型电催化剂，可广泛用于电解水制氢，特别是用于尿素辅助电解水制氢时，能在更低的电势下获得更高的尿素氧化电流密度，使用价值高，应用前景好。应用前景好。应用前景好。

【技术实现步骤摘要】
镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于催化剂制备
，涉及一种镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂及其制备方法和应用，具体涉及一种金属镍改性碳化木负载硫化物异质结复合电催化剂及其制备方法和在尿素辅助电解制氢中的应用。

技术介绍

[0002]氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，是实现“碳达峰”和“碳中和”目标的主要途径之一。电解水制氢包括发生在阴极的析氢反应和阳极的析氧反应，其中阳极的析氧反应因其过高的理论电势(1.23V vs.RHE)严重制约了电解水制氢技术的推广与运用。采用具有较低理论反应电势的小分子辅助电解水制氢，降低电解水制氢所需能耗是当前电解水制氢技术研发的主要方向之一。例如，尿素辅助电解水制氢，因尿素电解反应具有较低的理论电势(0.67V vs.RHE)，同时还能实现含脲废水的高效降解，使其在多种小分子辅助电解制氢技术中受到了更多的关注。但是因为尿素氧化反应历程存在多电子的转移，反应动力学缓慢，需要使用合适的催化剂来降低反应能垒避免过高的能耗。当前基于Pt、Ru、Ir等贵金属的催化剂被认为是最高效的尿素氧化催化剂，但因其在地球上的含量稀缺、价格昂贵阻碍了大规模的商业化应用。因此，研制低成本、高性能的电催化剂逐渐成为当前的研究热点。
[0003]木材作为地球上来源丰富可再生资源，在建筑、家具、铁路等传统领域应用广泛。但是木材的使用依然存在产品功能单一，附加值低等问题，亟需探索木材在新型功能材料等具有高附加值领域的使用途径。木材具有其独特的细胞壁结构和丰富的羟基等活性基团可为木材锚定活性组分提供反应位点，同时木材拥有各向异性多孔道结构，可提供较大的比表面积，使其具备制备低成本、高性能电催化剂的潜力。目前，已有科研工作者对木材在电催化剂领域的应用进行了积极的探索，但是，大部分工作都是将木材直接碳化，然后负载相应的活性组分，这种直接碳化后负载活性组分的碳化木基电催化剂因碳化温度较低(大部分是在1000℃以下)导致催化剂的导电性仍然较差，有待进一步提高，因而没法充分发挥其结构优势，这严重限制了木材在制备低成本高性能电催化剂中的应用与推广。另外，直接在碳化木上负载活性组分所得现有碳化木基电催化剂仍然存在催化活性差的缺陷，如通过溶剂热法直接将硫化镍负载在碳化木上时所得碳化木基电催化剂仍然需要更高的电势以获得更高的尿素氧化电流密度，这不利于其在尿素辅助电解水制氢领域中的广泛应用。因此，获得一种电化学活性面积高、传质传电能力好、UOR催化活性优异的碳化木基电催化剂，对于提高尿素辅助产氢性能具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种电化学活性面积高、传质传电能力好、UOR催化活性优异的镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂及其制备
方法和应用。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。
[0006]一种镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂，所述镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂包括镍改性碳化木，所述镍改性碳化木的细胞壁上生长有硫化物异质结；所述硫化物异质结为NiS/Ni3S4异质结；所述镍改性碳化木包括碳化木，所述碳化木的细胞壁上镶嵌有镍金属颗粒。
[0007]上述的镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂，进一步改进的，所述镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂中硫化物异质结的质量百分含量为57％～67％；所述镍改性碳化木中镍金属颗粒的质量百分含量为38％～48％。
[0008]上述的镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂，进一步改进的，所述NiS/Ni3S4异质结为纳米棒，平均直径为50nm～100nm，平均长度为1μm～2μm；所述镍金属颗粒为纳米颗粒，平均直径为20nm～100nm。
[0009]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1、将木片浸渍到镍离子溶液中，得到吸附有镍离子的木片；
[0011]S2、将步骤S1中得到的吸附有镍离子的木片进行煅烧，得到镍改性碳化木；
[0012]S3、将步骤S2中得到的镍改性碳化木、硝酸镍/有机硫源的混合溶液混合进行水热反应，得到镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂。
[0013]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述木片与镍离子溶液的质量体积比为0.002g～0.04g∶1mL；所述木片是由木材沿着横向生长方向切割而得；所述木片的厚度为2mm～5mm；所述木片为长方形、正方形、三角形、平行四边形、梯形、椭圆形或圆形，所述方形的长宽尺寸为1.5cm～2.5cm
×
0.7cm～1cm；所述木材为杨木、马尾松、杉木中的其中一种或它们的复合板材；所述镍离子溶液的浓度为0.15mol/L～0.25mol/L；所述镍离子溶液由镍盐溶解到水中后制得；所述镍盐为硝酸镍、醋酸镍、氯化镍中的至少一种；所述浸渍在真空条件下进行；所述浸渍在温度为60℃～80℃下进行；所述浸渍的时间为8h～10h；所述浸渍完成后还包括：在真空条件下对浸渍后的木材进行干燥，所述干燥的温度为60℃～80℃，所述干燥的时间为8h～12h。
[0014]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述煅烧在保护性气气氛下；所述保护气为氮气或氩气；所述煅烧为先升温至500℃煅烧1h～2h，再升温至700℃～900℃煅烧1h～2h；所述煅烧过程中升温速率为2℃/min～5℃/min。
[0015]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S3中，所述煅烧完成之后还包括以下处理：采用1500目～2000目的砂纸对煅烧产物进行打磨，采用去离子水对打磨后的煅烧产物进行清洗，置于乙醇中对清洗后的煅烧产物进行超声处理，于真空条件下对超声处理后的煅烧产物进行干燥；所述打磨的次数为5次～8次；所述清洗的次数为2次～3次；所述超声处理的时间为3min～5min；所述干燥的温度为60℃～80℃，所述干燥的时间为8h～12h。
[0016]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S3中，所述镍改性碳化木与硝酸镍/有机硫源的混合溶液的质量体积比为0.0004g～0.013g∶1mL；所述硝酸镍/有机硫源的混合溶液中，硝酸镍的浓度为0.17mol/L～0.37mol/L，有机硫源的浓度为0.77mol/L～0.97mol/L；所述硝酸镍/有机硫源的混合溶液由硝酸镍、有机硫源溶于水后制得；所述有机硫源为硫脲、
硫代乙酰胺、乙醇硫中的至少一种；所述水热反应在温度为120℃～180℃下进行；所述水热反应的时间为12h～24h。
[0017]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S3中，所述镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂包括镍改性碳化木，所述镍改性碳化木的细胞壁上生长有硫化物异质结；所述硫化物异质结为NiS/Ni3S4异质结；所述镍改性碳化木包括碳化木，所述碳化木的细胞壁上镶嵌有镍金属颗粒；所述镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂，其特征在于，所述镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂包括镍改性碳化木，所述镍改性碳化木的细胞壁上生长有硫化物异质结；所述硫化物异质结为NiS/Ni3S4异质结；所述镍改性碳化木包括碳化木，所述碳化木的细胞壁上镶嵌有镍金属颗粒。2.根据权利要求1所述的镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂，其特征在于，所述镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂中硫化物异质结的质量百分含量为57％～67％；所述镍改性碳化木中镍金属颗粒的质量百分含量为38％～48％。3.根据权利要求1或2所述的镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂，其特征在于，所述NiS/Ni3S4异质结为纳米棒，平均直径为50nm～100nm，平均长度为1μm～2μm；所述镍金属颗粒为纳米颗粒，平均直径为20nm～100nm。4.一种镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将木片浸渍到镍离子溶液中，得到吸附有镍离子的木片；S2、将步骤S1中得到的吸附有镍离子的木片进行煅烧，得到镍改性碳化木；S3、将步骤S2中得到的镍改性碳化木、硝酸镍/有机硫源的混合溶液混合进行水热反应，得到镍改性碳化木/硫化物异质结复合电催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述木片与镍离子溶液的质量体积比为0.002g～0.04g∶1mL；所述木片是由木材沿着横向生长方向切割而得；所述木片的厚度为2mm～5mm；所述木片为长方形、正方形、三角形、平行四边形、梯形、椭圆形或圆形，所述方形的长宽尺寸为1.5cm～2.5cm
×
0.7cm～1cm；所述木材为杨木、马尾松、杉木中的其中一种；所述镍离子溶液的浓度为0.15mol/L～0.25mol/L；所述镍离子溶液由镍盐溶解到水中后制得；所述镍盐为硝酸镍、醋酸镍、氯化镍中的至少一种；所述浸渍在真空条件下进行；所述浸渍在温度为60℃～80℃下进行；所述浸渍的时间为8h～10h；所述浸渍完成后还包括：在真空条件下对浸渍后的木材进行干燥，所述干燥的温度为60℃～80℃，所述干燥的时间为8h～12h。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：许瀚，郑罗松，蒋哲，卿彦，吴义强，盛灿，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：