[发明专利]双功能电解水催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种双功能电解水催化剂及其制备方法和应用。在所述双功能电解水催化剂中，NiS₂纳米管以阵列的形式近似垂直生长在基底上，其直径为20‑80nm，长度为100‑500nm。所述纳米管的形成经历了纳米片卷曲过程。由于纳米管阵列原位生长在泡沫镍基底上，得益于一维纳米管的特殊结构，这种NiS₂材料对水分解的产氢半反应(HER)和析氧半反应(OER)都表现出了优异的电催化性能，高于现有技术中的其他NiS₂材料。特别的是，将所述双功能电解水催化剂同时作为两电极体系的阴极和阳极进行全解水反应时，只需要1.58V的电压即可获得10mA/cm²的电流。

技术领域

本发明涉及催化剂，尤其涉及硫化镍(NiS₂)纳米管材料及其制备方法和应用。

背景技术

通过电化学方法进行水分解制取氢气和氧气是近年来研究的热点。在实际应用中，为了 加速产氢半反应(HER)和析氧半反应(OER)，需要开发有效的电催化剂。虽然Pt和Ru/Ir 基材料已经分别被证明是HER和OER的高效电催化剂，但低储量和昂贵的价格限制了它们 的大规模使用。在过去的五年里，各种廉价、来源丰富的材料被开发作为HER和OER的电 催化剂，包括过渡金属氧化物、硫化物、硒化物、磷化物、氮化物和碳化物等。在这些材料中，过渡金属硫化物NiS₂由于其优异的电催化性能、良好的稳定性和易于制备等特点，在电催化分解水领域具有广阔的应用前景。

为了优化NiS₂的电催化性能，目前研究者们已经设计了各种纳米结构，包括纳米颗粒、 纳米片、纳米线和纳米空心微球等。其中，一维纳米结构相比于其他纳米结构由于具有更高 的比表面积和更为丰富的表面活性位点，以及更短的离子和电子传输路径，近年来引起了人 们的广泛关注。最近的报道表明，在碳纤维纸基底上原位生长的NiS₂纳米线阵列表现出了良 好的HER和OER活性，分别可以在165mV和246mV的过电位下获得10mA/cm²的HER和OER电流密度，这个值要远低于所报道的NiS₂纳米片阵列材料(Int.J.Hydrogen Energy,2017,42,17038-17048)。这些结果表明，一维纳米结构在电催化领域确实具有独特的优势。然而，总体而言，目前有关一维NiS₂纳米结构的研究仍然非常有限。除了已经报道的纳米线之外，目前还没有关于其他一维NiS₂纳米结构(比如纳米管)的报道。

另外，关于一维纳米结构的制备，目前已经发展了多种方法，包括模板法、静电纺丝法、 自组装法等。在这些方法中，模板法需要复杂的反应步骤，比如模板去除；而静电纺丝法需 要复杂的实验装置和后续的结晶处理。液相自组装方法由于设备简单、操作方便，在一维纳 米结构的制备中具有独特的优势。然而，目前关于液相自组装法制备一维纳米结构的报道主 要集中在金属氧化物上，而关于一维过渡金属硫化物纳米结构自组装法制备的报道还非常有 限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双功能电解水催化剂及其制备方法和应用，至少在一定程度 解决现有技术中的问题。

本发明提供的一种双功能电解水催化剂，包括基底和负载于所述基底上的硫化镍纳米管； 所述硫化镍纳米管直径为20-80nm，长度为100-500nm。

优选地，所述基底为泡沫镍。

所述双功能电解水催化剂的制备方法，包括以下步骤：将氯化镍(NiCl₂·6H₂O)、硫代硫 酸钠(Na₂S₂O₃·6H₂O)和聚乙烯吡咯烷酮溶解在水中，并置于反应釜中；向反应釜中放入基 底，将反应釜保持在120-180℃下8-12h；对所述基底进行洗涤和干燥，得到所述双功能电解 水催化剂。