一种负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4电催化剂、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4电催化剂、制备方法及其应用。本发明专利技术采用六水合氯化镍以及六水合氯化钴分别作为镍源和钴源，先将纳米针状的Ni

【技术实现步骤摘要】
一种负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4电催化剂、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4纳米材料，该材料采用水热方法制备前驱体，再经过水热硫化阴离子交换反应制备得到，在电催化析氧方面具备优异性能，在其他能源开发和环境保护领域也具备潜在的应用价值。

技术介绍

[0002]随着经济的发展，煤炭、石油等化石燃料资源消耗持续增加，能源短缺和环境污染成为当今人类生存和发展的主要问题。可再生绿色能源的开发与研究是解决上述问题的关键，这也使得相关的新型高效的能量存储器件以及自然能源得到了空前的发展。其中，氢能凭借其独特的优势(能量密度大、热值高、环境友好以及可循环再生等)受到学术界和工业界的高度重视。考虑到成本以及纯度的问题，碱水电解制氢是目前具备良好商业价值的一种制氢方式，发展至今已逐步成为安全、可靠、长寿命的一种成熟的可持续制氢方法。电解水制氢中存在两个半反应，在不同的酸碱条件下，阳极过程都存在涉及四电子的OER反应(oxygen evolution reaction，OER)，存在动力学缓慢，过电位高等问题，这些劣势极大地限制了电解水反应的效率。因此，开发和研究一种高催化活性且成本价低的析氧电极具有重要的理论意义和实用价值。

技术实现思路

[0003]鉴于以上问题，本专利技术的目的是提供负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4的制备方法及其应用，制备方法简单，成本低，可重复性高。所制备的纳米材料具有较低的析氧电势，具有优异的电催化析氧性能。合成过程中不需要复杂的仪器、操作简单，有利于大规模的工业应用。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种负载于泡沫镍的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4，由Ni
‑
Co前驱体通过阴离子交换反应而成。水热条件下构建的均相NiCo2S4具有空心分级纳米针结构，密集的纳米针阵列具有粗糙的表面和尖锐的针尖，垂直地分布于泡沫镍上，并几乎覆盖了整个泡沫镍基底。
[0006]本专利技术还提出了一种负载于泡沫镍的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4的制备方法，是两步水热法，包括如下步骤：
[0007](1)在合成之前，泡沫镍(3
×
3cm)依次浸入丙酮、乙醇、3.0M盐酸溶液中，分别超声15min以去除表面的油污和氧化层，然后用去离子水反复冲洗以去除上述残留溶液，最后用无水乙醇润洗一遍后放入真空烘箱中，2h后取出，在手套箱中使用家用真空封口机进行包装，以备后续使用；
[0008](2)将2.5mmol六水合氯化镍，5mmol六水合氯化钴以及9mmol尿素溶于32mL去离子水中，磁力搅拌30min，随后超声处理30min，形成透明均匀的粉红色溶液。将上述溶液转移
至一个100ml的特氟隆内衬不锈钢高压釜中，将预先处理过的镍泡沫(3
×
3cm)放入，在烘箱中120～160℃下水热反应5～10小时，自然冷却至室温以后，用去离子水和乙醇反复清洗生长在泡沫镍上的Ni
‑
Co前驱体，置于60℃真空烘箱中烘干待用；
[0009](3)取步骤(2)得到的生长在泡沫镍上Ni
‑
Co的前体进一步转移至100ml特氟隆内衬不锈钢高压釜中，其中含有40ml的0.5～1.0mol Na2S.9H2O溶液,然后将高压釜密封并在100～150℃下水热反应1～5小时，自然冷至室温后，用去离子水和乙醇彻底清洗样品，并在60℃真空烘箱中干燥12小时，即最终得到负载于泡沫镍上的可自重构尖晶石NiCo2S4，其特征在于，水热条件下构建的均相NiCo2S4具有新颖的纳米针状结构并均匀分布于泡沫镍基底上，通过Ni
‑
Co双金属协同作用，增强尖晶石型NiCo2S4催化剂的OER性能；反应开始时，NiCo2S4通S元素快速浸出自重构成稳定的非晶氧硫化物，作为OER活性物种。
[0010]本专利技术进一步提出了上述可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4作为电催化剂的应用，主要是在电催化分解水析氧方面。
[0011]上述应用方法如下：1.0摩尔每升氢氧化钾(1.0M KOH)水溶液为电解液溶液，所述生长于泡沫镍表面的可自重构尖晶石NiCo2S4作为工作电极，以银
‑
氯化银电极为参比电极、铂网电极为对电极，测试温度为15～25℃。在碱性电解质溶液中，其析氧过电位在172和258mV时，电流密度分别可达10和100mA cm
‑2，并可以在100mA cm
‑2的电流密度保持稳定工作60个小时以上无明显衰减。
[0012]本专利技术的有益效果在于：
[0013](1)采用简单的两步水热方法，合成负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4，合成方法简单，操作便捷，条件温和，可重复性高，安全无毒，可以大批量合成；
[0014](2)将负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4作为析氧电催化剂，结果表明其具有较好的析氧性能且过电位较低。在碱性电解质溶液中，其析氧过电位在172和258mV时，电流密度分别可达10和100mA cm
‑2，并可以在100mA cm
‑2的电流密度保持稳定工作60个小时以上无明显衰减；
[0015](3)制备过程中，所有试剂均为商业产品，不需要进一步处理；
[0016](4)合成方法简单，得到的材料易于应用，有利于在工业化生产中推广应用，还可作为可充电空气电池、可再生燃料电池以及电化学制氧等体系中的析氧材料。
[0017](5)本专利技术设计的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4不仅可以直接作为电催化析氧反应的工作电极，同时还可以用于可充电金属空气电池、电解水工艺、再生燃料电池等领域。
附图说明
[0018]图1是实施例1所制备的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4扫描电镜图；
[0019]图2是实施例1所制备的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4的X射线衍射图谱；
[0020]图3是实施例1所制备的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4中镍元素的X射线光电子能谱；
[0021]图4是实施例1所制备的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4中钴元素
的X射线光电子能谱；
[0022]图5是实施例1所制备的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4自重构后的透射电镜图；
[0023]图6是实施例1所制备的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4自重构前后的X射线衍射图谱；
[0024]图7是实施例1所制备的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4自重构前后的硫元素的X射线光电子能谱；
[0025]图8是实施例1所制备的负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4自重构前后的氧元素的X射线光电子能谱；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4电催化剂，其特征在于，水热条件下构建的均相NiCo2S4具有新颖的纳米针状结构并均匀分布于泡沫镍基底上，通过Ni
‑
Co双金属协同作用，增强尖晶石型NiCo2S4催化剂的OER性能；反应开始时，NiCo2S4通S元素快速浸出自重构成稳定的非晶氧硫化物，作为OER活性物种。2.一种负载于泡沫镍的可自重构亚稳态尖晶石NiCo2S4的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在合成之前，泡沫镍依次浸入丙酮、乙醇、盐酸溶液中，分别经超声以去除表面的油污和氧化层，然后用去离子水反复冲洗以去除上述残留溶液，最后用无水乙醇润洗一遍后放入真空烘箱中，烘干备用；(2)将六水合氯化镍，六水合氯化钴以及尿素溶于去离子水中，磁力搅拌后超声处理，形成透明均匀的粉红色溶液；将上述溶液转移至特氟隆内衬不锈钢高压釜中，将预先处理过的镍泡沫放入，在烘箱中120～160℃下水热反应5～10h，自然冷却至室温以后，用去离子水和乙醇反复清洗生长在泡沫镍上的Ni
‑
Co前驱体，烘干待用；(3)取步骤(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓霞，杨化桂，丁业良，孙盈盈，汤建方，王睿，刘鹏飞，毛芳欣，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：