一种多级结构复合电催化材料及其制备与应用制造技术

本发明专利技术涉及一种多级结构复合电催化材料及其制备与应用，该复合电催化材料为三维多级结构，包括类水滑石纳米片状结构、分散在类水滑石纳米片状结构上的网络中空微球阵列结构，网络中空微球阵列结构为钼镍双金属硫化物。本发明专利技术多级结构复合电催化材料具有价格低廉、电催化性能高效、催化活性和稳定性高、导电性好和过电位低的优点。和过电位低的优点。和过电位低的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种多级结构复合电催化材料及其制备与应用


[0001]本专利技术涉及电催化材料
，特别涉及一种多级结构复合电催化材料及其制备与应用。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，环境污染加剧和化石资源过度消耗的问题变得日益严重，寻找高效的清洁能源成为人们关注的焦点。氢气因其高能量密度和对环境无污染而被认为是解决能源危机和环境问题最有前途的清洁能源之一，而电解水制氢是实现制备高纯氢气的有效、经济的途径。相比于光解水制氢反应，电解水制氢效率更高，受自然环境变化影响小，更利于实现规模化生产。电解水的过程涉及两个半反应，析氢反应(hydrogen evolution reaction，HER)和析氧反应(oxygen evolution reaction，OER)。到目前为止，大量电极材料被设计和合成出来用于提高电极的析氢反应活性，这其中尤其以贵金属钌、铱、铂等制备的电极性能最为优异，然而其昂贵的价格和来源的稀缺性限制了大规模应用。因此设计和开发具有优异催化性能、价格低廉的电极，提高电催化析氢反应活性，对于实现高效电解水制氢具有重要的现实意义和实际应用价值。同时，开发具有与铂基电极制氢效果相媲美的非贵金属电极成为了国际上研究的热点。
[0003]过渡金属材料因其结构和组成的可调变性和多样性，相对较高的电催化活性以及低廉的价格，在能源转化与存储领域的开发和应用与日俱增。目前过渡金属氧化物、金属硫化物、金属硼化物、金属磷化物等均表现出较好的电催化析氢及析氧活性，这其中尤以镍基等材料的研究最为深入。
[0004]层状双金属氢氧化物又称水滑石(Layered Double Hydroxides，简写为LDHs)，是一种典型的阴离子型层状纳米材料。LDHs的结构通式为：[M1‑
x2+
M
x3+
(OH)2]x+
(A
n
‑
)
x
·
mH2O，其中M
2+
、M
3+
分别表示位于层板上的二价和三价金属阳离子，A
n
‑
表示层间可交换的阴离子。水滑石独特的晶体结构，使得层板上的金属离子按照一定的方式均匀分布，且层板金属元素组成和比例、层板电荷密度、层间阴离子种类等均具有可调变性。通过调变层板的金属元素的组成，层间阴离子的种类和数量，控制材料的形貌等方式获得系列性能优异的功能材料，在诸多领域，尤其是在催化领域有着广泛的应用，但水滑石本身导电能力较差，因而限制了其在电催化反应中性能的充分发挥，且现有技术结合LDHs在支撑体上形成多级结构的工艺繁琐，成本高昂，产品稳定性差。
[0005]过渡金属硫化物，因其理想的原子结构和二维层状晶体结构，表现出了良好的电催化制氢活性。最近，双金属硫化物，不仅结合了每个金属硫化物优异的催化活性，而且它们之间的协同效应也有利于催化性能的提升，有望成为替代贵金属的高效电催化剂。镍钼基硫化物拥有丰富的活性位点，而且兼备镍基硫化物和钼基硫化物的电化学性质，被人们广泛研究。例如，有研究制备了MoS2‑
Ni3S2异质结构纳米棒用于电解水制氢。但是，目前所报道的镍钼基硫化物电解水制氢的效率仍然远低于铂基材料，而且这些催化剂的稳定性也并不能满足工业要求。
[0006]因此，人们迫切需要开发一种具有高活性和稳定性的低成本电催化材料的制备方法。其中包括利用过渡金属氢氧化物、羟基氧化物、硫化物、磷化物、硒化物等作为电极材料。在这其中，双金属化合物较单金属化合物往往表现出更好的催化活性，特别是NiFe、CoFe基化合物(主要包括镍铁、钴铁氢氧化物、羟基氧化物)显示出优异的OER活性，而NiCo、NiMo基化合物则显示出极高的HER催化活性。
[0007]综上所述，如果能开发一种多级结构复合电催化材料，具有双金属元素、具有优异的电解水性能和稳定性，可以和Pt、IrO2组成的全贵金属电极电解水体系相媲美，且制备方法简单、合成效率高，则更有利于电催化材料的发展。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的之一在于提供一种多级结构复合电催化材料(MoNiS3/Al2O3‑
LDHs/NF)，以解决现有技术中的多级结构复合电极电解水性能和稳定性差、双金属硫化物电解水制氢效率低等问题；目的之二在于提供一种多级结构复合电催化材料的制备方法，以解决现有多级结构复合电极制备方法繁琐、成本高、效率低等问题；目的之三在于提供一种电化学装置；目的之四在于提供一种电子设备。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]本专利技术第一方面提供一种多级结构复合电催化材料(MoNiS3/Al2O3‑
LDHs/NF)，该复合电催化材料为三维多级结构，包括类水滑石纳米片状结构、分散在类水滑石纳米片状结构上的网络中空微球阵列结构，网络中空微球阵列结构为钼镍双金属硫化物。
[0011]根据上述技术手段，本专利技术以泡沫镍为基底，泡沫镍基底上原位生长类水滑石纳米片状结构，且镍钼双金属硫化物的网络中空微球阵列结构均匀分散在类水滑石纳米片状结构表面，形成三维多级结构，这种多级结构增加了比表面积和活性位点，能够促进氢离子的吸附以及氢气的脱附，有利于提高电催化效率。同时，本专利技术多级结构复合电催化材料能够有效降低过电位，具有优异的催化活性、稳定性和导电性。
[0012]本专利技术第二方面提供一种多级结构复合电催化材料的制备方法，该方法包括：
[0013](1)在反应容器中加入钼盐溶液和硝酸铝溶液，配成溶液A，将经预处理的泡沫镍浸入溶液A中，超声处理；
[0014](2)向步骤(1)中含有泡沫镍的溶液A中加入尿素、氟化铵，超声处理，在惰性气体氛围下进行原位生长，得到类水滑石；
[0015](3)将步骤(3)中类水滑石置于反应容器中，加入含有阳离子表面活性剂的乙二醇溶液，超声处理，加入硫源化合物，超声处理，得到溶液B；
[0016](4)将步骤(3)中溶液B转移至反应釜中，进行反应并保温，冷却，洗涤，干燥，得到MoNiS3/Al2O3‑
LDHs/NF多级结构复合电催化材料。
[0017]根据上述技术手段，本专利技术制备方法用于制备一种泡沫镍基底、纳米片状结构、微球阵列构成的三维多级结构，以提高电解水制氢过程中电解液的扩散和电子传输。本专利技术通过简单的水热法先在泡沫镍表面原位生长垂直于泡沫镍的类水滑石纳米片，再通过离子交换和硫化处理，将功能性的阴离子引入类水滑石纳米片状结构之间，并对其含有的双金属离子进行硫化，一步制得镍钼双金属硫化物，其具有较低的能带间隙，以进一步提高多级结构复合电催化材料的导电性。同时，本专利技术在制备类水滑石纳米片状结构的过程中，制得
Al2O3纳米片，Al2O3起到阻隔和锚定颗粒的作用，防止颗粒团聚，即能使镍钼双金属硫化物均匀分散在类水滑石表面，使得多级结构复合电催化材料结构更加稳定。
[0018]进一步，步骤(1)中钼盐溶液的钼盐包括钼酸铵、钼酸钠、硫酸钼、钼酸镍中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级结构复合电催化材料，其特征在于，所述复合电极为三维多级结构，包括类水滑石纳米片状结构、分散在所述类水滑石纳米片状结构上的网络中空微球阵列结构，所述网络中空微球阵列结构为钼镍双金属硫化物。2.一种多级结构复合电催化材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)在反应容器中加入钼盐溶液和硝酸铝溶液，配成溶液A，将经预处理的泡沫镍浸入所述溶液A中，超声处理；(2)向步骤(1)中含有泡沫镍的溶液A中加入尿素、氟化铵，超声处理，在惰性气体氛围下进行原位生长，得到类水滑石；(3)将所述步骤(3)中类水滑石置于反应容器中，加入含有阳离子表面活性剂的乙二醇溶液，超声处理，加入硫源化合物，超声处理，得到溶液B；(4)将所述步骤(3)中溶液B转移至反应釜中，进行反应并保温，冷却，洗涤，干燥，得到MoNiS3/Al2O3‑
LDHs/NF多级结构复合电催化材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中钼盐溶液的钼盐包括钼酸铵、钼酸钠、硫酸钼、钼酸镍中的至少一种；和/或，所述步骤(1)中硝酸铝的浓度为0.02～0.2mol/L；和/或，所述步骤(1)中钼盐溶液与硝酸铝溶液的摩尔比为(1～3)：(1～2)。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)超声处理时间为20～60min。5.根据权利要求2所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩永刚，张加加，贺征远，请求不公布姓名，周振声，
申请(专利权)人：上海莒纳新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：