[發明專利]一種硒、鐵共摻雜二硫化三鎳三維材料的制備方法

在審

• 申請號: 202210633469.3
• 申請日: 2022-06-06
• 公開（公告）號: CN115928130A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 崔小強;徐珊;張雷;張海燕;武建棟
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/061;C25B11/054;C25B11/031;C25B1/04;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州君銳達知識產權代理有限公司 33544
• 代理人: 黃歡娣

本發明公開了一種硒、鐵共摻雜二硫化三鎳三維材料的制備方法。本發明主要通過一步水熱法合成了硒、鐵共摻雜二硫化三鎳三維材料，在經過水、乙醇清洗，氮氣烘干之后即可直接作為電催化析氧催化劑使用。水熱生成了高度褶皺的納米片層結構，能夠提供豐富的電化學活性位點，加快制氧反應的動力學。同時一步法將鐵、硒兩種元素同時摻雜進二硫化三鎳中，金屬鐵和非金屬硒的耦合作用對催化活性位點的鎳的電子態的調控和晶格畸變的產生，提升了材料的電子轉移速率，從而提高了電催化制氧的催化效率，并擁有良好的穩定性。

技術領域

本發明屬于清潔可持續新型能源制備應用領域，特別涉及一種基于泡沫鎳基底的硒、鐵共摻雜二硫化三鎳三維材料的制備方法。

背景技術

隨著世界經濟的高速發展，傳統能源如石油、天然氣的大量使用使環境問題日益嚴重。并且化石燃料作為一種不可再生能源的過度使用導致了能源危機日益加重，所以尋找到一種清潔可再生能源來代替化石燃料迫在眉睫。電催化水分解成氫氣和氧氣是一種很理想的手段，以產生可持續可再生能源，然而，析氧反應(OER)反應和析氫(HER)反應半電池反應的過電位較高嚴重限制了全分解水的廣泛應用，因此找到一種合適的催化劑可以大大降低能量勢壘以提高OER反應總能量效率便可以拓寬OER在生活中的實際應用。

近年來，被廣泛研究的電催化制氧材料中，泡沫鎳由于其三維多孔結構引起了廣泛關注，而過渡金屬硫族化合物通過對其形貌和電子態的調控在電催化制氧領域可以得到很高的電催化性能，在這些催化劑中，硫化鎳由于其高的導電性和獨特的結構，在電催化制氧領域成為了一個有前途的催化劑。然而，硫化鎳本身仍存在表面活性低、電子傳輸速度低、析氫效率低等問題，從而限制了其應用。通過摻雜等手段使其他元素進入Ni3S2的晶格中可以調節Ni元素的電子態，提高催化活性，改善電子傳輸特性，具有廣闊的開發前景。

發明內容

本發明是針對現有技術的不足，提供一種基于泡沫鎳基底的硒、鐵共摻雜二硫化三鎳三維材料，并應用于電催化制氧領域。該材料具有制備成本低，制備過程簡單，催化活性高，穩定性好等特點。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種硒、鐵共摻雜二硫化三鎳三維材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將泡沫鎳依次在乙醇、水、3mol/L鹽酸、丙酮中超聲清洗15分鐘，烘干待用；

(2)將硫代乙酰胺、無水三氯化鐵、硒粉的混合分散液與步驟(1)所得泡沫鎳一起放入水熱釜中，在140～160攝氏度下反應6～12小時；所述硫代乙酰胺的濃度為3～3.5mg/mL，無水三氯化鐵的濃度為0.3～0.35mg/mL，硒粉的濃度為0.3～0.35mg/mL，溶劑為二甲基甲酰胺和水的混合溶液，二甲基甲酰胺和水的體積比為1：5。

(3)將步驟(2)所得產物用去離子水，乙醇依次清洗，然后在氮氣條件下吹干，得到硒、鐵共摻雜二硫化三鎳三維材料。

進一步地，所述步驟(1)中的混合溶液還含有乙醇，乙醇在溶液中的體積分數為3.3％～4％。

進一步地，所述步驟(1)中的硒粉的D50≥80目。

本發明的有益效果在于：

(1)通過簡單的一步水熱法合成了具有微觀褶皺結構的共摻雜二硫化三鎳三維材料。本發明所得材料的微觀結構為高度褶皺的納米片層結構，且納米片的厚度在4nm左右，而在電化學催化反應中，薄的納米片層結構會暴露更多的催化活性位點，并且提升電子傳遞速率，加快制氧反應的動力學。因此，三維連續結構和褶皺納米片結構的多級結構保證了高效催化析氧的實現。

(2)硒、鐵共摻雜二硫化三鎳的實現。在現有技術中，由于硒的原子半徑大于鐵原子，共摻雜二硫化三鎳后仍可保持高度褶皺的納米片層結構非常困難。在本申請的配方中，通過調控溶劑的種類和體積，使硒鐵共同摻雜得以實現的同時，仍可得到具有高度褶皺的納米片層結構。