[发明专利]一种超薄多孔Ce-Ni-O-S纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种超薄多孔Ce‑Ni‑O‑S纳米片及其制备方法和应用，属于纳米领域。本发明的超薄多孔Ce‑Ni‑O‑S纳米片主要元素是Ce、Ni、O和S，为不规则的超薄片状结构，具有多孔结构，且具有较多位错，台阶缺陷位点，Ce、Ni、O和S均匀分布在六边形片上，具有优异的OER性能，优于目前市售的IrO₂。本发明采用“一锅煮”方法，利用程序控温模式得到超薄多孔Ce‑Ni‑O‑S纳米片，工艺简单，反应温度低，时间短，适合于批量生产，对于可再生能源技术发展具有重要的指导意义。

技术领域

本发明涉及一种超薄多孔Ce-Ni-O-S纳米片及其制备方法和应用，属于纳米领域。

背景技术

随着全球经济的发展，每个人都更加依赖能源。至今为止，我们需求的大部分能源还是来自传统的化石燃料（煤、石油和天热气等），而这些能源是不可持续的，只有有限的储备。严峻的能源危机和由化石能源消费产生的环境污染，日益危及人类社会可持续发展，研发高效低成本绿色储能技术和新能源迫在眉睫。

燃料电池兼具高能效、无噪声、无污染、可连续稳定工作等特点，被认为是21世纪最有发展前景的新能源技术。将普通H₂-O₂燃料电池和水电解池按一定的方式组合得以循环进行，即构成可再生H₂-O₂燃料电池。在水电解池中，将H₂O送入电解装置，输入电能，H₂O分解生成H₂和O₂，涉及阳极析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER），将电能以化学能的方式储存起来。在阳极上发生OER时所需的理论电压为1.23 V。然而在商业化水分解的体系中，水的全分解需要电压1.8-2.0 V，才能驱动水分解产生清洁能源。因此采用高效催化水分解的催化剂能够大大降低水分解的过电势。尽管IrO₂和RuO₂也是目前催化OER性质最好的电催化剂，然而缺点在于IrO₂和RuO₂价格昂贵，进一步限制了催化剂的商业化应用。

文献研究表明，OER因较强O=O键，需要多步电子传递及转移，导致动力学缓慢，催化剂的过电位过高。因此在设计燃料电池的过程中，降低OER的过电位成为商业化应用的关键。当今纳米技术的发展给新型可再生型H₂-O₂燃料电池电催化剂的设计带来新契机。在过去的几年里，科学家们也一直致力于开发具有高性能、高选择性、高稳定性及低成本的纳米催化剂。同时值得注意的是，引入一种或者多种金属在结构缺陷处的诱导选择性生长，进一步促进了多组分金属纳米晶表界面几何结构和电子结构的调控，为优化催化反应提供了较大空间。例如Strickler课题组可控合成的核壳Au@金属氧化物纳米晶（Au@MxOy，M = Ni，Co，Fe和CoFe），以OER为探针反应，电化学测试表明，Au@CoFeOx因Au和金属氧化物之间的耦合效应，提高了催化剂的催化活性和稳定性。

因此，研发高效的多元纳米晶催化剂是目前的研究热点；在可再生能源技术的发展过程中，寻求高效廉价、特殊结构的合金纳米晶，特别是可用于OER的电催化剂具有重要意义和巨大挑战。

发明内容

发明目的：本发明目的之一在于针对现有技术的不足，提供一种应用于燃料电池析氧反应中的新型、高效、廉价的OER催化剂Ce-Ni-O-S纳米片。

为了实现这一目的，本发明公开了一种超薄多孔Ce-Ni-O-S纳米片，所述Ce-Ni-O-S纳米片主要元素是Ce、Ni、O和S，为不规则的超薄片状结构，具有多孔结构，且具有较多位错，台阶缺陷位点，Ce、Ni、O和S均匀分布在六边形片上。

进一步地，本发明还公开了这种Ce-Ni-O-S纳米片的制备方法。

具体的技术方案如下：