[發(fā)明專利]一種用于穩(wěn)定電解水制氫的氮摻雜的鎳鉬基復(fù)合硫化物及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010161524.4
• 申請(qǐng)日: 2020-03-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111617780B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余穎;黃楚強(qiáng);余羅;邱明強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中師范大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B01J27/051
• 分類(lèi)號(hào): B01J27/051;B01J27/24;B01J35/00;C25B1/04;C25B11/04;C25B11/091
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 喬宇

本發(fā)明涉及一種用于高效和穩(wěn)定電解水制氫的氮摻雜鎳鉬基復(fù)合硫化物及其制備方法。該材料為自支撐的微米棒陣列結(jié)構(gòu)，其中微米棒的表面由大量交疊的超薄納米片組成，且N原子成功地?fù)诫s到了鎳鉬基復(fù)合硫化物的晶格中，改變了材料的電子密度。該催化劑作為電解水制氫的工作電極，表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性。此外，該催化劑擁有超優(yōu)異的穩(wěn)定性能，能夠穩(wěn)定工作1000個(gè)小時(shí)仍然保持性能不衰減，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電解水催化劑制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于高效和穩(wěn)定電解水制氫的氮摻雜鎳鉬基復(fù)合硫化物及其制備方法。

背景技術(shù)

氫氣因其高能量密度和對(duì)環(huán)境無(wú)污染而被認(rèn)為是解決能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題最有前途的清潔能源之一。電解水是實(shí)現(xiàn)制備高純氫氣的有效、經(jīng)濟(jì)的途徑。為了提高電解水制氫的效率，需要開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的電催化劑來(lái)降低析氫反應(yīng)的過(guò)電位。目前，最好的分解水制氫電催化劑是鉑基催化劑，但是由于該材料在地球上的儲(chǔ)量很少導(dǎo)致了其較高的成本，同時(shí)較差的穩(wěn)定性也是限制其大規(guī)模應(yīng)用的原因之一。因此，開(kāi)發(fā)具有與鉑基催化劑制氫效果相媲美的非貴金屬催化劑成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。

過(guò)渡金屬硫化物，因其理想的原子結(jié)構(gòu)和二維層狀晶體結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出了良好的電催化制氫活性。最近，雙金屬硫化物，不僅結(jié)合了每個(gè)金屬硫化物優(yōu)異的催化活性，而且它們之間的協(xié)同效應(yīng)也有利于催化性能的提升，有望成為替代貴金屬的高效電催化劑。鎳鉬基硫化物擁有豐富的活性位點(diǎn)，而且兼?zhèn)滏嚮蚧锖豌f基硫化物的電化學(xué)性質(zhì)，被人們廣泛研究。例如，Yaqing?Yang等人(ACS?Catal.2017,7,2357-2366)制備了MoS₂-Ni₃S₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米棒用于電解水制氫。但是，目前所報(bào)道的鎳鉬基硫化物電解水制氫的效率仍然遠(yuǎn)低于鉑基材料，而且這些催化劑的穩(wěn)定性也并不能滿足工業(yè)要求。

另外，近年來(lái)一些研究表明，摻雜異質(zhì)原子到電催化劑中有利于提高其電解水制氫的活性。在催化劑中引入具有較強(qiáng)電負(fù)性的非金屬雜原子，有利于調(diào)節(jié)催化劑的電子密度和d帶中心(Nat.Commun.2018，9:1425)，從而優(yōu)化水的吸附解離和氫的吸附/脫附行為(ACS?Catal.2019，9:3744-3752)，這有利于促進(jìn)電解水制氫的反應(yīng)，提高析氫性能。因此，如果能夠?qū)⒁恍╇娯?fù)性較強(qiáng)的原子引入到鎳鉬基復(fù)合硫化物的晶格中，調(diào)節(jié)其電子密度和d帶中心，將會(huì)大幅提高電解水制氫的效率，為鎳鉬基復(fù)合硫化物的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)光明前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用于高效和穩(wěn)定電解水制氫的非貴金屬電催劑，具體為氮摻雜鎳鉬基復(fù)合硫化物材料及其制備方法。

一種氮摻雜鎳鉬基復(fù)合硫化物材料，該材料由MoS₂，NiS和NiS₂物相組成，摻雜有氮，為自支撐的微米棒陣列，其中微米棒表面由大量交疊的超薄納米片組成，納米片的厚度為?5～15nm。

按上述方案，所述的氮摻雜鎳鉬基復(fù)合硫化物，氮摻雜在MoS₂，NiS和NiS₂的晶格中，各個(gè)物相之間形成豐富的界面。

按上述方案，微米棒的直徑為1.0～1.5μm。

按上述方案，所述的氮摻雜鎳鉬基復(fù)合硫化物的氮含量為0.82％～6.9％。

按上述方案，所述的氮摻雜鎳鉬基復(fù)合硫化物生長(zhǎng)在泡沫鎳基底上。

上述氮摻雜鎳鉬基復(fù)合硫化物材料的制備方法為：將生長(zhǎng)在商用泡沫鎳上的鎳鉬前驅(qū)物微米棒陣列放在尿素溶液中浸泡，然后干燥；接著以硫粉作為硫源，在惰性氛圍下進(jìn)行硫化反應(yīng)，制備得到氮摻雜鎳鉬基復(fù)合硫化物。

按上述方案，所述尿素溶液的濃度是0.2～1.0mol/L。

按上述方案，所述的鎳鉬前驅(qū)物微米棒陣列在尿素溶液中浸泡的時(shí)間為2～12h。