[发明专利]一种一步法制备高效水分解的金属硫化物电极材料的方法

说明书

本发明公开一种一步法制备可实现高效水分解的金属硫化物电极材料的方法，包括下述步骤：超声处理后的泡沫镍作为载体，将其浸入含有金属硫化物及前驱体的高压反应釜中，在140‑200℃下进行水热反应就可将金属硫化物负载在泡沫镍上，反应6h。本发明提供的方法具有以下特点：(1)不借助模板直接合成三维多孔金属硫化物，水分解析氢和析氧催化活性位点密度高，电子传递路径短，催化性能好；(2)纳米结构的金属硫化物直接连接导电性泡沫镍载体，接触性和导电性好，有利于提高电导率和电子传递效率，极大程度的降低了克服能垒所需要的过电势；(3)电解液易于进入多孔电极材料内部，电流密度高，晶体结构稳定，大幅提高材料的循环稳定性和耐久性。

技术领域

本发明涉及电催化分解水技术领域，具体涉及一种一步法制备高效水分解的金属硫化物电极材料的方法。

背景技术

随着化石燃料的快速消耗和相关环境问题的日益突出，开发经济可行的清洁替代能源是至关重要且紧急的。氢能可作为一种清洁替代能源，其具有燃烧热值高、环保无毒和二次可再生等优点。目前看来，可通过电催化分解水反应来得到氢能，该反应的关键在于开发高效且低成本的催化剂，提高转化效率的同时降低成本。

电催化分解水分为产氢和产氧两个半反应，它们在清洁能源的转化和储存中起着至关重要的作用，然而产氧半反应的动力学缓慢，反应发生过程有多步质子耦合电子转移，需要较大的驱动过电势，从而导致能量损失显著，整体能量转化效率降低，是进一步提升效率和降低成本的难度所在。

目前普遍认为，在电解水产氢反应中，酸性条件下，Pt是一种理想的催化剂，在电解水产氧反应中，RuO2是活性最高的金属氧化物，其具有最理想的反应中间体结合能，导电性高及还原/氧化电位较低。但是Pt和Ru都属于贵金属，价格昂贵，储量稀少，且受到环境限制不能稳定存在。因此，很有必要开发电化学性能优异，广泛存在于自然界且能在水分解环境中稳定存在的电极材料替代Pt 和Ru等贵金属催化材料。目前已经研究制备了几种先进的电极材料，如金属薄膜，层状双金属氢氧化物和MnOx等。但是这些材料大多导电性能差，过电势高，耐久性差，在合成过程中耗时长，花费高，难以控制形貌和组成。上述导电和传质性能差等缺点限制了这些材料的催化效率，为避免以上问题，本发明考虑将金属硫化物直接负载在泡沫镍上，使催化剂活性组分与载体直接相连，增大其导电和传质性能。

本发明适用的金属硫化物活性组分包括MoS2，WS2，CoS2，TaS2，CuS2， FeS2，Ni2S。

发明内容

本发明的目的是提供一种简便、绿色、高效的方法，让金属硫化物在导电泡沫镍载体上直接生长出三维纳米阵列，反应过程中无粘合剂参与，生成的电极材料在1M NaOH电解液中对于水分解产氢和产氧反应具有良好的的催化性能。

本发明设计的电极材料有以下优点：(1)合成的电极材料拥有大孔结构，表面积较大，电子传递路径短，因而能提高其催化性能；(2)电活性纳米结构直接连接导电性泡沫镍载体，接触性和导电性良好；(3)电流密度高，过电势低，晶体结构稳定，循环稳定性和耐久性都有所提高。对于进一步稳定提高电催化析氢和析氧效率有重要意义。

本发明所述的是一种一步法制备高效水分解的金属硫化物电极材料的方法，具体步骤如下：

(1)用3M HCl溶液超声清洗泡沫镍(1.5cm×1.0cm×0.15cm)30min，再依次使用无水乙醇，丙酮和去离子水超声清洗泡沫镍15min，以确保其表面清洁；