[发明专利]一种三硫化四钴纳米空心管@泡沫镍复合阵列材料、制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种三硫化四钴纳米空心管@泡沫镍复合阵列材料、制备方法及其应用，与现有技术相比，本发明通过水热法制备三硫化四钴纳米空心管@泡沫镍复合阵列材料，合成工艺成熟稳定，操作简单，受环境影响小，易于控制，且产率高。所合成的三硫化四钴纳米空心管@泡沫镍复合阵列材料为一维空心管状比表面积大，而且Co₄S₃纳米管是直接生长在导电性良好的泡沫镍基底上，因此产品具有良好的析氢反应电催化活性。相比其他负载贵金属元素的电催化剂，本发明将过渡金属与泡沫镍有效结合作为析氢反应电催化剂，原材料来源丰富，价格便宜，大大降低了析氢反应电催化剂的成本。

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种三硫化四钴纳米空心管@泡沫镍复合阵列材料、制备方法及其应用，作为电分解水析氢反应催化剂。

背景技术

全球对能源危机关注的日益增加，以及环境污染问题引发了关于开发可再生的、无碳能源的迫切需求。氢气，由于其具有清洁、高效和可再生的特点，被认为是一种极具潜力的替代化石燃料的清洁能源。

利用电分解水制氢，可在阴极得到纯净的氢气，制备条件相对温和，地球上丰富的水资源，在一定程度上降低了成本。因此，电分解水制备氢气将成为未来制氢工业的核心技术，具有很高的社会效益和经济效益。电分解水过程在阴极发生析氢反应(HER)实际所需电位要大于理论析氢反应电位，即存在过电位。反应的过电位越高，电能损耗越大。

因此，电分解水制氢的实际应用需要高效的电催化剂以降低析氢反应(HER)的过电位，同时获得高的电流密度。对于HER过程，Pt族贵金属具有最佳的电催化析氢活性，但Pt族贵金属在地壳中储量有限，价格比较昂贵，不利于大规模生产作为HER催化剂。因此，寻找高效、储量丰富的元素替代Pt族贵金属来制备高活性、低成本的电催化材料对推动目前电分解水制氢技术的发展是至关重要的。

所以，寻找工艺简单、成本低廉的方法，制备有效的HER催化材料是十分必要的，将为电分解水制氢工艺的发展与应用提供更多的科学依据和技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三硫化四钴纳米空心管@泡沫镍复合阵列材料及其制备方法，采用的原材料及工艺设备简单、制备成本低，且所制备的材料具有良好的电催化活性。

本发明的另一目的在于提供一种三硫化四钴纳米空心管@泡沫镍复合阵列材料作为电分解水析氢反应催化剂的应用。

本发明提供的一种三硫化四钴纳米空心管@泡沫镍复合阵列材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将钴源和尿素溶解于去离子水中，得到的混合溶液置于反应釜中，放入泡沫镍，加热反应；

2)反应结束，取出泡沫镍，干燥，得到泡沫镍负载钴前驱体的产物：Co前驱体@泡沫镍复合阵列材料；

3)将步骤2)得到的负载钴前驱体的产物的泡沫镍置于N，N-二甲基甲酰胺和硫氢基乙酸混合溶液中，然后置于反应釜中加热反应；

4)反应结束，冷却至室温，取出泡沫镍，洗涤、干燥，即得三硫化四钴纳米空心管@泡沫镍复合阵列材料。

步骤1)中所述钴源和尿素的摩尔比为2～3：10～15。

进一步的，步骤1)所述钴源选自六水合氯化钴或六水合硝酸钴；所得前驱体产物形貌相同。

步骤1)中所述钴源与去离子水的用量比为2～3mmol:30～40ml；

步骤1)中所述泡沫镍使用前经过以下处理:将泡沫镍在丙酮中进行表面脱脂除油处理，然后用盐酸溶液清洗去除表面氧化物，再用乙醇和超纯水将表面洗净后真空干燥。

步骤1)中所述加热反应是指：90～120℃下加热反应8～10h。