[发明专利]一种由氧化锌调控的二硫化钼与硫化镍核壳结构复合材料析氢催化剂的制备

说明书

本发明主要属于结构设计型材料制备以及电解水制氢技术领域，涉及一种由氧化锌调控的二硫化钼与硫化镍核壳结构复合材料析氢催化剂的制备方法。针对于二硫化钼在催化析氢过程中易团聚的问题，本发明以含锌化合物、含钼化合物、硫脲、泡沫镍为原料，通过水热法和酸蚀法成功地用泡沫镍合成了由氧化锌结构调控的二硫化钼与硫化镍核壳结构复合材料电催化剂。制备该催化剂包含以下步骤：(1)泡沫镍的预处理；(2)生长在泡沫镍上的氧化锌进行调控的二硫化钼与硫化镍核壳材料复合材料的制备；(3)生长在泡沫镍上由氧化锌进行结构调控的二硫化钼与硫化镍核壳结构复合材料催化剂的成型。本发明适用于室温下酸性电解液中的析氢反应。

技术领域

本发明属于结构设计型材料制备和电解水制氢技术领域，具体涉及一种由氧化锌调控的二硫化钼与硫化镍核壳结构复合材料析氢催化剂的制备方法。

背景技术

随着全球变暖和气候问题的加剧，人们对于环境和资源投入了越来越多的关注，开始追求可持续的和更清洁的能源，到目前为止，科学家们一直在致力于寻求一种可持续的对环境更友好的能源来代替现有的能源，例如太阳能电池或水电解生产氢燃料，而氢作为一种清洁，环保和可再生能源，是一种很有前途的高能量密度的能源载体，它既无碳又环保，受到了越来越多的关注，被认为是生态友好和可持续的电力技术，人们一直在研究其高效的能量存储和转换。研究至今，贵金属的析氢反应(HER)被认为是当前最有效的析氢反应，如Pt，Pd及其合金等，但使用这类金属的缺点就是它们稀少而且价格昂贵，不适应于大规模的工业生产与应用，这些原因阻碍了它们的实际使用。因此，寻找性能良好且价格低廉的替代品成为了当务之急。

在过去几年的研究中，MoS₂以其出色的析氢性能引起了研究人员的兴趣，由密度泛函理论计算出，其氢键能接近Pt类金属，但是为了获得理想的MoS₂催化活性，必须要面对三个挑战，由于层状的MoS₂间存在弱的范德华力，将导致MoS₂积聚，从而减少催化活性位点的数量和总体催化作用，其次是MoS₂导电性差，会限制电子传递从而阻碍析氢反应的电催化效率，最后是MoS₂的稳定性差会导致其催化活性随时间降低，因此，我们可以选择用石墨烯，碳纤维，碳纳米管等作为载体来增加其导电性，也可以通过改变其空间结构来增加暴露的活性位点的数量，也可以通过杂原子的掺杂来提高其催化活性。

发明内容

本发明针对于二硫化钼片层易积聚及导电性差的问题，提供一种由氧化锌调控的二硫化钼与硫化镍核壳结构复合材料析氢催化剂的制备方法。其目的在于：(1)使用氧化锌调控硫化镍的结构，目的在于二硫化钼与硫化镍在生成过程中避免团聚，产生更多活性位点；(2)通过酸蚀除去不稳定的氧化锌，从而暴露出更多缺陷并进一步减轻纳米材料的质量；(3)二硫化钼原位生长在泡沫镍上不仅可以克服催化剂的脱落问题，而且可以提高催化剂在酸性电解质的电子转移速率。

本发明是采用以下技术方案来实现的：

第一步：泡沫镍的预处理。将一块泡沫镍放在盐酸、去离子水和乙醇体积比为1∶1∶1-1∶10∶10的混合液中，室温下超声1-20个小时。用去离子水冲洗数次，在40-80℃真空干燥箱中保持3-27小时后冷却至室温备用。

在一些实施方式中，第一步制取过程中盐酸的浓度优选为1-18mol/L中的一种。

第二步：由氧化锌调控的二硫化钼与硫化镍核壳结构复合材料的制备。称取一定量的含锌化合物、含钼化合物和硫脲溶解在去离子水中。用磁力搅拌10-60分钟后，加入第一步预处理的泡沫镍后继续搅拌5-60分钟后，转移到25-100mL的内衬为聚四氟乙烯的高压釜中，在鼓风干燥箱中100-160℃下保持5-15小时后，在160-240℃下保持10-25小时。然后冷却至室温，用乙醇和去离子水冲洗数次，在40-80℃真空干燥箱中保持5-30小时后冷却至室温备用。

在一些实施方式中，第二步制取过程中的含锌化合物优选为醋酸锌、硝酸锌中的一种。