一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及在电解水中的应用技术

本发明专利技术是以泡沫镍为基底合成镍钴硫化物，涉及析氧电催化剂制备方法及应用。首先通过溶剂热法以硝酸钴、硝酸镍、腺嘌呤为原料在泡沫镍上合成了镍钴有机框架前驱体，然后在氮气气氛下利用高温可控热处理的方法掺入硫元素合成了一种高效的析氧电催化剂。此催化剂在1 M KOH溶液中电解水时仅需109 mV过电位就可达10 mA/cm2的电流密度，并且塔菲尔斜率仅为38.81 mV/dec，该催化剂长时间使用后性能仍可以保持稳定。稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及在电解水中的应用


[0001]本专利技术属于电催化纳米材料领域，具体涉及一种镍钴基硫化析氧电催化材料的制备方法及其在电解水析氧反应中的应用。

技术介绍

[0002]日益严重的环境问题和化石燃料所面临的枯竭问题正不断影响着人们的生产和生活，开发新型能源材料已成为迫切的研究课题。在全球能源安全和可持续发展技术需求的推动下，寻找高效生产清洁能源的方法并安全存储成为当务之急。电解水是生产清洁能源
‑
氢气的最有效途径之一，但阳极的析氧反应（OER）限制了电解水的效率，因此，必须采用高活性和高稳定性的电催化剂用于克服动力学障碍，以促进反应的快速稳定进行。
[0003]商用的Ir/ Ru基OER催化剂因其高昂的成本而限制了其工业化的应用，因此，开发过渡金属基催化剂，进而取代贵金属材料是一种可行和可选的方案。目前，研究人员合成了大量具有高效OER性能的非贵金属材料，如尖晶石氧化物、钙钛矿、层状双氢氧化物等，过电位一般在200mV以上，而硫化物具有高导电性和丰富的氧化还原化学性质，具有多种结构，可望成为贵金属催化剂的理想替代品，开发用于OER的新型硫化物材料具有重要的意义。电催化水分解作为一种可持续的绿色能源制备工艺，正在成为一种有前途的制氢替代能源的生产工艺，有望解决能源危机和日益严重的环境问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了提供一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及在电解水中的应用，应用研究结果表明该催化剂具有优异的析氧电催化活性和良好的化学稳定性。本材料是通过简单的水热法和高温硫化法合成的镍钴基硫化复合材料。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：首先按照一定的投料比称取硝酸钴、硝酸镍和腺嘌呤，置于装有一定量去离子水的烧杯中，室温下超声溶解30分钟，然后将处理好的泡沫镍与超声后的混合溶液一并放入反应釜中，在120℃ 条件下反应12h ，得到镍钴前驱体负载的泡沫镍，然后将镍钴前驱体负载的泡沫镍置于管式炉进样口，称取硫粉置于进气口，350℃ 条件下反应2h,得到镍钴基硫化物催化剂。此催化剂在1 M KOH 溶液电解水时仅需109mV过电位就可达10 mA/cm2的电流密度，并且塔菲尔斜率仅为 38.81mV/dec，使用40小时后该催化剂的性能仍可以保持稳定。研究结果表明本专利技术的镍钴硫化物催化剂有望用于电催化反应的析氧反应中。
[0005]本专利技术的优点是：本专利技术制备方法的原材料来源丰富，价格低廉，工艺操作简便，可操作性强，按照上述方法制备的镍钴基硫化物催化剂，表现出高效的OER性能，表明所得镍钴硫化物催化剂是一种高效的析氧反应催化剂。
[0006]本专利技术的实质特征是：本专利技术利用简便的工艺路线和温和的反应条件制备了镍钴基硫化物析氧催化剂，
得到了镍钴基硫化物的前驱体的制备方法中的反应物质量比为，硝酸钴：硝酸镍：腺嘌呤=1：0.999：2.784；镍钴基硫化物的前驱体的制备方法中的溶剂是去离子水，每克腺嘌呤的用水量为16.892 mL，每克硝酸钴与硝酸镍混合物的用水量为29.100 mL ；镍钴基硫化物的前驱体的制备方法中反应条件为：反应温度是120℃，反应时间是12h；合成的镍钴基硫化物析氧电催化材料应用于电催化条件下的析氧反应，效果优异，本专利技术的镍钴基硫化物析氧电催化材料在1 M KOH 溶液电解水中仅需109 mV过电位就可达10 mA/cm2的电流密度。
附图说明
[0007]图1是镍钴基硫化物催化剂的X射线衍射谱图；图2是镍钴基硫化物催化剂的扫描电镜图；图3是镍钴基硫化物催化剂的透射电镜图；图4是镍钴基硫化物催化剂的能量色散X射线光谱仪成像图；图5是镍钴基硫化物催化剂的析氧反应极化曲线图；图6是镍钴基硫化物催化剂的析氧反应塔菲尔斜率图；图7是镍钴基硫化物催化剂的析氧反应稳定性测试图。
实施方式实施例
[0008]基底泡沫镍(NF)的预处理：将20mm
×
35mm
×
1.5mm的泡沫镍片依次在3M盐酸溶液中超声30分钟，在体积比为1：1的丙酮
‑
乙醇混合溶液中超声20分钟，然后在去离子水中超声10分钟，再用去离子水洗涤三次，最后在60
o
C真空烘箱中干燥6h得到净洁的泡沫镍；将0.2027g腺嘌呤置于盛有12mL去离子水的烧杯中，室温超声10分钟得到溶液1，将0.0727g六水合硝酸镍、0.0728g六水合硝酸钴置于盛有5mL去离子水中，室温超声10分钟得到镍钴硝酸盐的混合溶液2，在室温下，超声波的作用下，将镍钴硝酸盐混合溶液2逐滴滴入溶液1中，超声30分钟得到混合溶液3；将上述处理好的泡沫镍和混合溶液3转移到反应釜中，在烘箱中以30℃为起始温度，升温速率为6℃/min，当温度达到120℃后，在该温度下进行水热反应，反应时间为12小时，得到泡沫镍负载的类金属有机框架；将上述所得的泡沫镍负载的类金属有机框架用去离子水洗涤三次，在60
o
C真空烘箱中干燥6h得到干燥的泡沫镍负载的类金属有机框架；将上述得到的干燥的泡沫镍负载的类金属有机框架裁剪成20mm
×
20mm
×
1.5mm的块状，放入瓷舟的左侧，右侧放入0.5g硫粉，将瓷舟放入管式炉内，从右侧通入氮气20分钟后，以30℃为起始温度，升温速率为3℃/min，当温度达到350℃后，在该温度下保温2小时进行高温硫化反应，得到镍钴基硫化物催化剂。
[0009]本专利技术还提供了上述镍钴基硫化物催化剂在电解水析氧反应中使用的方法。
[0010]利用电化学工作站采用标准三电极体系，测试镍钴基硫化物催化剂电催化分解水析氧的能力，具体测试方法如下：极化曲线(LSV)和循环伏安曲线(CV)是用CHI 760E电化学工作站在1M KOH的溶液
中进行测试，碳棒为对电极，Hg/HgO为参比电极，为了排除干扰，每次实验前向电解液中通入氮气30min以去除电解液中溶解的氧气，扫速设置为5mV s
‑1。
[0011]以过电势(η)对log(j)作图得到塔菲尔曲线，通过塔菲尔斜率来评估催化剂的电催化析氧动力学性能。
[0012]按照X射线衍射测试方法，图1中分析揭示，本专利技术所得镍钴基硫化物催化剂包含了Co3S4、NiS和Co，扫描电子显微镜照片(图2)显示，该催化剂由大量的棱柱组成，能量色散X射线光谱仪成像图(EDX
‑
mapping，图3)显示Ni、Co、S均匀分布，透射电子显微镜(图4)显示，存在Co3S4(220)晶面和NiS(220)晶面及Co(002)晶面。
[0013]图5是实施例所得产物作为催化剂在1 M KOH 中的线性扫描伏安极化曲线，图中显示本专利技术所得镍钴基硫化物催化剂具有良好的电催化活性，其催化电解水仅需109mV过电位就可达10 mA/cm2的电流密度，图6是实施例所得产物的塔菲尔斜率图，图中显示本专利技术所得镍钴基硫化物催化剂具有较低的塔菲尔斜率，并且塔菲尔斜率仅为 38.81mV/dec，图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及在电解水中的应用，其特征是：镍钴基硫化物的前驱体的制备方法中的反应物质量比为，硝酸钴：硝酸镍：腺嘌呤=1：0.999：2.784。2.一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及在电解水中的应用，其特征是：镍钴基硫化物的前驱体的制备方法中的溶剂是去离子水，溶解每克腺嘌呤的用水量为16.892 mL，溶解每克硝酸钴与硝酸镍混合物的用水量为29.100 mL 。3.一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勤，李程超，杜雨萌，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：发明
国别省市：