一种B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种B

【技术实现步骤摘要】
一种B
‑
S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于电化学催化剂制备
，涉及一种电解水析氧催化剂，具体涉及一种B
‑
S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]当今世界，能源的大量消耗，一方面促进了人类社会经济与生活的进步，但是另一方面却给人类带来了巨大的环境问题。随着石油、煤、天然气等不可再生能源的燃烧，生态环境日趋恶劣，并且这些不可再生能源在地球上的储存量有限，在它们被日益消耗的同时，人类将面临着越来越大的能源危机。所以，寻找和开发一种可持续的不依赖化石燃料的清洁能源迫在眉睫。
[0003]从上世纪70年代初以来，氢气就一直被看做理想能源，氢气在已知燃料中能量密度最高，并且还是二氧化碳零排放的清洁能源。电解水还可以得到人类生存所必需的氧气。我们的地区上有丰富的水资源，如果能利用风能、太阳能等可再生能源发电，直接电解水就可以制备大量的清洁燃料，能够很好地缓解能源危机。电解水制氢是目前技术成熟、无污染、操作简便的一种制氢技术，并且获得的氢气纯度较高。
[0004]虽然电解水制氢技术具有其他几种技术无法比拟的优点，但是电解水技术也面临着一定的困难。例如，水的电化学分解分为两个半反应：析氢反应(HER) 和析氧反应(OER)。其中，OER是一个具有四电子转移过程的氧化反应，在动力学上更难进行进行，因此，使电解水的整体效率受到了极大阻碍。目前，贵金属催化剂(RuO2和IrO2等)作为析氧材料虽然有着较高的催化活性，但是储量稀缺，成本高，极大地影响了其规模化应用。因此，发展可替代贵金属的高效，低廉的OER电催化剂便成为科研人员的关注重点。近年来，镍钴基催化剂由于其较低的过电位、良好的导电性以及优异的金属特性，在电解水方面有着优异的表现，从而被认为是一种极具潜力的催化剂。因此，对于镍钴基催化剂的探索与研究已经成为目前研究的一个热点领域。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种B
‑
S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，通过制备分层的镍钴前驱体固体球并掺杂B元素和S元素，B
‑
S共掺可以起到很好的协同作用，使制得的催化剂产生更多的缺陷，暴露出更多的活性位点，催化剂的电子结构得到优化，从而促进高氧化态活性物质的生成，提高催化剂的催化活性和稳定性，制备方法过程易于控制，成本低廉。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种B
‑
S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，按照如下的步骤顺序依次进行：
[0008]S1、将镍源和钴源按照1:2的摩尔比溶于二元溶剂中，剧烈搅拌6
‑
8h，得A；
[0009]S2、将A置于聚四氟乙烯热压罐中密封后，于160℃下在电热鼓风干燥箱中加热
10h，冷却到室温时，通过离心获得沉淀，得B；
[0010]S3、将B用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，置于真空干燥箱中于60℃干燥10
‑
12h，得C；
[0011]S4、将C和硼源分别分散在0.025mol/L的硫源乙醇溶液中，剧烈搅拌6
‑
8h，得D；
[0012]S5、将D置于聚四氟乙烯高压釜并密封后，置于超声波
‑
微波化学反应器中，于温度178℃下微波
‑
超声30min，冷却至室温后，通过离心收集反应得到的黑色沉淀，得E；
[0013]S6、将E用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，产物置于真空干燥箱中于60℃干燥干燥12h，得到B
‑
S共掺的镍钴基催化剂。
[0014]本专利技术制备的镍钴前驱体为相对光滑的分层固体球，该结构有利于电解液的浸润和离子的吸附/脱附，片层搭接形成的稳定孔结构能够增大催化剂有效利用的电化学活性比表面积，后期对该镍钴前驱体固体球进行B和S掺杂改性，利用超声波和微波联合的方法，可使得反应时间大大缩短，在极短的30min内完成水热反应，而采用传统水热法则需要12h，本专利技术的超声波和微波合成法极大地提高了催化材料的制备效率，同时可以避免快速的高温反应中产物出现团聚现象，从而保证了各元素均匀地分布于催化剂产物中，避免了后期在析氧过程中出现粉化及坍塌。
[0015]作为本专利技术的限定：
[0016](一)步骤(1)中，所述的二元溶剂为异丙醇和丙二醇按照体积比3:2的混合溶液。
[0017](二)步骤S1中，所述镍源为乙酸镍、氯化镍、硝酸镍或硫酸镍中的一种，所述钴源为乙酸钴、氯化钴、硝酸钴或硫酸钴中的一种。
[0018](三)步骤S4中，所述硼源为硼酸。
[0019](四)步骤S5中，微波功率733W，微波频率2450MHz，超声波功率245 W，超声波频率25KHz。
[0020]本专利技术中微波和超声联合法相对于传统的水热法，具有反应时间短，产物分布均匀的优势，在该过程中，温度是至关重要的，当温度低于178℃时，会使硼、硫的掺入反应不完全；当温度高于178℃时，会使产物的球状结构坍塌破碎。
[0021]作为本专利技术的进一步限定，步骤S4中，步骤S4中，镍源、钴源、硼源、硫源的摩尔比为1:2:2:2。
[0022]本专利技术还有一种限定，步骤S4中，所述的硫源为硫脲。
[0023]该步骤中，镍源、钴源、硼源、硫源的比例是较为关键的，由于非金属和金属原子之间的电子结构调控，使得S作为吸电子物质吸收Ni、Co周围的电子，而B作为给电子物质使电子转移到Ni、Co原子上，这种相反的电子传递机制将会产生具有最佳电子密度的金属位点，以使其余反应物和产物相互作用。经实验，当镍源、钴源、硼源、硫源的摩尔比为1:2:2:2时，能够使催化剂具有最佳电子密度的金属位点，有利于电解水析氧反应的进行。
[0024]本专利技术所制备的催化剂在具体的电解水析氧时，具有很好的催化效果，具体表现为：
[0025]第一，独特的多孔纳米结构具有较大的比表面积，有利于在水分解过程中的传质、催化活性位点的暴露以及所产生气体的释放等。
[0026]第二，掺杂剂的引入可以诱导大量氧空位缺陷的形成，从而增加电子电导率并促进电化学OER性能的增强，B掺杂可以产生多的氧空位，有利于O*的形成，在S的掺杂有利于
提升增强对O*的吸附，表面吸附的S可以通过促进对 O*的吸附来提升其OER活性，这样B
‑
S共掺杂可以起到一个很好的协同作用。
[0027]第三，本专利技术催化剂同时含有B和S，由于其不同于硼化物或硫化物的独特性质而显示出能够增强OER电催化速率，在金属硼化物中B向金属Ni、Co 贡献电子，而在金属硫化物中的Ni、Co失电子，当B、S两种物质同时引入时，由于非金属和金属原子之间的电子结构调控，使得S作为吸电子物质吸收Ni、 Co周围的电子，而B作为给电子物质使电子转移到Ni、Co原子上，这种相反的电子传递机制将会产生具有最佳电子密度的金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种B
‑
S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，其特征在于，按照如下的步骤顺序依次进行：S1、将镍源和钴源按照1:2的摩尔比溶于二元溶剂中，剧烈搅拌6
‑
8h，得A；S2、将A置于聚四氟乙烯热压罐中密封后，于160℃下在电热鼓风干燥箱中加热10h，冷却到室温时，通过离心获得沉淀，得B；S3、将B用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，置于真空干燥箱中于60℃干燥10
‑
12h，得C；S4、将C和硼源分别分散在0.025mol/L的硫源乙醇溶液中，剧烈搅拌6
‑
8h，得D；S5、将D置于聚四氟乙烯高压釜并密封后，置于超声波
‑
微波化学反应器中，于温度178℃下微波
‑
超声30min，冷却至室温后，通过离心收集反应得到的黑色沉淀，得E；S6、将E用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，产物置于真空干燥箱中于60℃干燥12h，得到B
‑
S共掺的镍钴基催化剂。2.根据权利要求1所述的一种B
‑
S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：高发明，庞珊珊，王远哲，位阔，张冬，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：