[发明专利]一种硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线复合材料及其制备方法和应用，在泡沫镍上构筑的硅化镍/硫化镍/二硫化钼纳米线，纳米线结构原位生长于导电三维泡沫镍的孔洞上，硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线与泡沫镍之间形成紧密的连接，提高了材料的导电性和稳定性，主要作为双功能电催化剂应用于电催化析氢和析氧方向。纳米线表面呈由纳米薄片组成的花瓣状结构，活性位点充分暴露，硅化镍和硫化镍/二硫化钼协同催化，共同增强电催化析氢和析氧性能。在泡沫镍原位生长硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线的构建过程中，本发明采用低压化学气相沉积法和水热法，工艺简单，有利于大规模生产。

技术领域

本发明属于无机材料制备技术领域，具体涉及一种泡沫镍原位生长硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

为了解决能源危机和环境污染问题，电解水被认为是最具潜力的生产可再生清洁能源高纯度氢气和氧气的方法之一。其中，它包括析氢和析氧两个半反应。然而，由于析氧反应需要实现四个电子的转移，在动力学上比析氢反应慢，因此，一些较好的析氢电催化剂却表现出一般甚至较差的电催化析氧性能。目前，大多数研究仅仅单一地提高催化剂的析氢或析氧性能，而忽略了兼具优异的析氢和析氧活性的双功能电催化剂所带来的的优势。优异的析氢和析氧性能的结合更有助于高效的全解水，从而简化了电解装置的设计，并在实际应用中有效防止催化剂的污染。

为了获得优异的电催化性能，电催化剂的设计显得尤为重要。就电催化剂的材料种类选择而言，铂和钌/铱的氧化物分别被认为是析氢反应和析氧反应的最佳催化剂。然而，它们的实际应用受到材料低丰度和高成本的阻碍。因此，开发活性高、稳定性好的非贵金属催化剂作为其潜在的替代品引起了广泛的关注。其中，过渡金属硫化物如硫化镍、硫化钴和硫化钼，都表现出较好的电催化活性。两种过渡金属硫化物的有效结合，会因为二者的协同效应和更快的电子转移，使其表现出比单一材料更好的催化活性。就电催化剂的微观形貌设计而言，目前已经证明，异质结构的合理设计能够表现出有效的电催化性能，例如，一维纳米结构可以在径向上提供大量的活性位点。已有研究表明NiCo₂O₄多孔纳米管和MoS₂-Ni₃S₂纳米棒作为双功能电催化剂，表现出良好的催化活性。

然而，目前报道的一维纳米结构电催化剂如纳米棒、纳米管、纳米锥等由于其结构单一、长径低等问题，材料的比表面积受到一定的限制，电催化性能有待进一步提高。因此，实现具有高比表面积的一维纳米材料微观形貌的控制是提高性能的关键之一。当前，未见在泡沫镍上原位生长硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线复合材料并直接应用于电催化析氢和析氧反应的双功能电催化剂相关报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种泡沫镍原位生长硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线复合材料及其制备方法和应用，能够有效解决由于材料的比表面积受限导致的纳米线复合材料活性位点密度低和稳定性、导电性不高，从而限制电催化析氢和析氧效率的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线复合材料的制备方法，采用低压化学气相沉积法，将硅烷中的硅与泡沫镍表面的镍发生反应，在高温低压的条件下形成硅镍合金纳米线，然后通过水热法引入钼源和硫源，在泡沫镍上原位生长均匀分布的硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线，得到硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线复合材料。

本发明公开的硅化镍/硫化镍/二硫化钼花瓣状纳米线复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将块状泡沫镍放入低压化学气相沉积系统中，在流动的氩气条件下，将所述低压化学气相沉积系统的温度加热至450℃，气压抽至5.45kPa以下，引入硅烷混合气体，持续反应50分钟后关闭硅烷混合气体，通入氩气，并将低压化学气相沉积系统的压强升至大气压，自然冷却降温；