[发明专利]一种镍钴硫材料及制备方法和在电催化OER中的应用

说明书

本发明属于电催化领域，特指一种镍钴硫材料及制备方法和在电催化OER中的应用。本发明以六水合硝酸钴，脲，不同摩尔量的六水合硝酸镍水溶液为原料，通过一次水热反应制备出镍钴氢氧化物前驱体，加入九水合硫化钠通过第二次水热反应，对前驱体进行硫化，成功制备出用于电解水产氧的镍钴硫催化剂。不同摩尔量的六水合硝酸镍，其合成的镍钴硫纳米材料的形貌和OER性能也不尽相同。本发明中所涉及的制备工艺较为简便，在一些电池领域具有相当好的应用前景。

技术领域

本发明属于电催化领域，特指一种镍钴摩尔比值特定，具有海星状纳米棒结构形貌的镍钴硫纳米材料及其制备方法和在电催化OER的应用。

背景技术

不断日益增长的能源和燃料需求，加上全球化石燃料的枯竭和与其相关的环境负面影响，正促使着人类追求和深入研究各种各样的高效率、低成本、可持续发展的能源转换和储存技术。电驱动水分解产生氢气和氧气燃料这种技术被认为是实现太阳能转化为电能的最有前景和应用价值的策略之一，从而可以克服化石燃料的短缺，实现太阳能的转化和储存。这种技术所产生的氢被广泛认为是可持续的并且充足的能量载体，由于存储和释放时的高能量密度和无碳排放，所以电催化分解水制氢能够解决当前人类所面临的能源危机问题。然而就目前的技术发展，电解水制氢所需要的成本远远高于化石燃料制氢，其主要的原因是因为阳极发生的析氧反应(OER)动力学比较缓慢，过电位较大，并且电解水制氢所需要的电压高于水分解时的热力学电势。因此往往需要IrO₂和RuO₂这种贵金属材料作为催化剂，但由于贵金属的高价格，储量有限，限制了其在工业上的广泛应用。因此，开发设计可替代贵金属的OER电催化剂具有重要意义。近年来，过渡金属硫化物作为电催化OER催化剂材料引起了人们的广泛关注。其中，研究者发现了多种过渡金属硫化物，如CoS₂、Co₃S₄、Co₉S₈等，然而，其OER性能并不理想。由于单过渡金属硫化物的OER性能有待提升，而引入另一种过渡金属形成双金属硫化物，通过双金属的协同效应调节元素价态，并且两种金属之间的摩尔比不同，其形貌性能也不同。研究表明，引入过渡金属镍到过渡金属硫化物中是一种有效提升OER性能的方式。因此，本发明提供了一种简单高效的合成不同比例的镍钴硫纳米材料的方法，以此提升电催化OER性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高效OER性能的不同形貌的镍钴硫纳米材料的制备方法，为解决上述问题。

本发明采用的具体的技术方案如下：

一种用于电催化OER催化剂的镍钴硫化物的制备方法，制备过程包括以下步骤：

(1)碳布的预处理：将碳布裁剪成块状，所述块状大小为3cm×4cm；依次在丙酮、蒸馏水、无水乙醇中进行超声清洗，超声清洗的时间为30min。目的是为了去除碳布表面的杂质。经过上述清洗处理后的碳布置于硝酸溶液中，所述硝酸溶液的质量百分浓度为40％，在超声条件下氧化处理，氧化处理时间为30min。目的是改善碳布的润湿性，减小接触角，提高基体表面能。

(2)镍钴氢氧化物前驱体的制备方法：分别称取六水合硝酸钴，脲和六水合硝酸镍至烧杯中，用量筒量取去离子水加入其中，室温下磁力搅拌溶解均匀，所述磁力搅拌时间为30min，所述六水合硝酸钴、脲、六水合硝酸镍、去离子水的比例为5mmol：5mmol：0.5～2.5mmol：35mL。将混合溶液转移至不锈钢高压水热反应釜内，将步骤(1)已处理好的碳布浸泡在反应釜内，旋好釜盖，将不锈钢高压水热反应釜放入烘箱中于120℃反应12h，得到负载有镍钴氢氧化物前驱体的碳布。

(3)反应结束后，待反应釜冷却至室温，取出负载有产物的碳布，用去离子水和乙醇各分别洗涤3～5次，于烘箱中60℃下空气干燥6h。

(4)称取九水合硫化钠溶解于去离子水中，所述九水合硫化钠、步骤(2)中的六水合硝酸钴和去离子水的比例为8mmol：5mmol：40mL。室温下磁力搅拌形成均匀的澄清溶液，磁力搅拌时间为30min。