[發明專利]硫化鎳納米棒陣列電催化材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202211535432.3
• 申請日: 2022-11-30
• 公開（公告）號: CN116024583A
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 胡雪燕;郭江峰;楊懌峰
• 申請（專利權）人: 中船動力(集團)有限公司
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/061;C25B11/075
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明公開了一種硫化鎳納米棒陣列電催化材料及其制備方法和應用。所述硫化鎳納米棒陣列電催化材料包括鎳基材料和位于鎳基材料上的Nisubgt;3/subgt;Ssubgt;2/subgt;材料，其中所述Nisubgt;3/subgt;Ssubgt;2/subgt;材料為具有粗糙表面的納米棒陣列形貌，且所述納米棒由納米顆粒組成。所述制備方法包括：提供酸洗后的鎳基材料以及包括鎳源、硫源水溶液；將酸洗后的泡沫鎳材料加入所述水溶液中進行水熱反應，從而獲得硫化鎳納米棒電催化材料。本發明技術方案的硫化鎳納米棒陣列電催化材料在堿性溶液中具有優異的HER和OER催化活性和穩定性，可作為電極應用于電解水陰極析氫反應和陽極析氧反應中。

技術領域

本發明屬于電催化材料領域，具體涉及一種硫化鎳納米棒陣列電催化材料及其制備方法和應用。

背景技術

人口的快速增長和工業經濟的飛速發展使得人們面臨著前所未有的能源短缺和環境惡化等問題。未來能源的安全性已經得到了人們的廣泛關注。氫能源作為一種可持續能源，具有高能量密度和零污染等優點，目前被認為是最有前途的能量載體之一。電催化分解水是最有效的產氫技術之一，具有綠色無污染、設備簡單、產物純度高等優點。為了降低電解水過程中的大量能耗，需要使用電化學催化劑來分別降低陰極的析氫反應(HER)和陽極的析氧反應(OER)過電位。Pt和Ru/Ir氧化物等貴金屬分別是目前最有效的HER和OER電催化劑，但是儲量稀少，成本昂貴，不利于大規模應用。因此，迫切需要設計開發成本低廉并具有優異催化性能和穩定性的HER和OER催化劑。

在過去幾年中，研究人員已經投入了相當大的努力來實現這些目標，并找到了一些非常具有潛力的非貴金屬電催化劑，如過渡金屬硫化物，硒化物，碳化物，磷化物，氮化物以及合金等已被證明具有良好的HER催化性能。而過渡金屬氧化物和氫氧化物是目前研究較多的非貴金屬OER催化劑。但是相比之下，對于同時具有HER和OER活性的雙功能電催化劑的研究還比較少。究其原因，大多數過渡金屬基催化劑只能在酸性或堿性溶液中具有較好的單一催化活性和穩定性。如過渡金屬氧化物/氫氧化物具有極好的OER催化性能，但是由于其晶型不合適或者導電性差等原因，HER性能一般較差，在同一電解質中往往不會同時具有HER和OER催化活性，因此在完全水分解中的應用受到了限制。如果使用不同的催化劑分別作為HER和OER電極，在實際應用中也會出現許多技術問題。此外，由于大多數OER催化劑在酸性介質中不穩定，只能在堿性介質中發揮作用，而且在酸性條件下電解水對于電解設備材料要求較高，難以大規模持續應用，因此堿性條件下電解水在市場上具有更廣闊的應用前景。因此開發堿性條件下可用的HER和OER雙功能非貴金屬催化劑能夠更有效地提高完全水分解的效率并簡化電解系統促進工業應用。

在眾多過渡金屬化合物中，鎳基硫化物(如NiS，NiS₂和Ni₃S₂等)被廣泛應用在超級電容器、電池和光/電催化等儲能領域。Ni₃S₂具有良好且穩定的HER或OER催化性能，但是關于同時具有HER和OER催化性能的Ni₃S₂的研究報道仍然不多。Ni₃S₂是一種黃鎳鐵礦石，具有斜方六面體結構和本征金屬性質。其Ni—Ni短鍵與金屬鎳中的Ni—Ni鍵相當，并且沿高度分支的鍵合路徑連接了所有Ni原子，形成相互交聯的網狀結構，有利于電子傳輸。良好的導電性及低成本使得Ni₃S₂在電化學領域有很多應用。然而，由于活性位點利用率低，其催化性能與Pt和Ru/Ir氧化物相比還是相差較多，這也是其他過渡金屬化合物共同存在的問題。

目前，已經有幾種有效的方法來解決這些問題，其中一種方法是構筑各種納米結構，如納米線，納米球，納米管和納米片等，這些納米結構的材料具有更大的活性比表面積和更高效的催化水解效率。另一種方法是將Ni₃S₂與高導電性材料結合以形成復合納米結構，提高其導電性能，從而促進電催化過程中的電子電荷轉移，加快水分解效率。

發明內容