[发明专利]一种类非晶的Co-Fe-S超薄纳米片三维自支撑材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种类非晶的Co‑Fe‑S超薄纳米片三维自支撑材料及其制备方法和应用。采用电沉积方法在钛片基底上生长类非晶的Co‑Fe‑S超薄纳米片，然后在空气中温和煅烧，再经过ECT得到高效的OER电催化剂。所述类非晶的Co‑Fe‑S超薄纳米片三维自支撑材料的Tafel斜率为35mV dec^‑1。所述类非晶的Co‑Fe‑S超薄纳米片三维自支撑材料的TOF值为0.9s^‑1，所述类非晶的Co‑Fe‑S超薄纳米片三维自支撑材料的在1100mA cm^‑2下保持12‑14h。

技术领域

本发明涉及超薄三维纳米材料技术领域，特别是涉及一种类非晶的Co-Fe-S超薄纳米片三维自支撑材料及其制备方法和应用。

背景技术

为了满足不断增长的能源需求，人们对可再生的、来源可持续的电解水技术寄予了很大的期望，而电解水的半反应—氧气析出反应(OER)所固有的缓慢动力学，限制了整体能量转换的效率。到目前为止，二氧化钌和二氧化铱被视为OER活性最高的电催化剂。然而，贵金属的价格昂贵，储量稀少，阻碍了他们的大规模应用。此外，这些电催化剂通常使用聚合物粘合剂被粘附到电极表面，聚合物粘合剂的使用会覆盖催化剂的活性位点，而且在长时间的电解过程和剧烈的气泡攻击下，样品会从电极上脱落。因此，探索来源丰富，高活性且在大电流密度(>500mA cm^-2)下，能紧密固定在导电基底上的OER电催化剂是非常迫切的。

过渡金属(例如Ni，Co，Fe)类材料包括其氧化物、氢氧化物、硒化物、硫化物和氮化物已经被广泛研究证明是一种具有发展前景的OER高性能催化剂。尽管其在OER方面取得了令人瞩目的进展，但距工业化应用还有一定的距离。最近的工作证明电催化活性主要依赖于电催化剂表面的电子结构和活性位点。相比于高结晶性材料，相应的非晶材料拥有更多的不饱和原子可作为催化活性位点，因此增强了其催化活性。纯的镍硫化物在高电流密度下不能显示出足够好的OER活性，但Fe的掺入被证明可大大地提高镍基催化剂的OER性能。此外，电化学调节(ECT)被认为是一种改变金属电子结构的有效方法，能调整其键能并增加活性面积，从而增强其催化活性。然而，通过元素掺杂，特别是与ECT技术结合，合理设计出高效无定形的OER电催化剂仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种类非晶的Co-Fe-S超薄纳米片三维自支撑材料及其制备方法和应用。采用电沉积方法在钛片基底上生长类非晶的Co-Fe-S超薄纳米片，然后在空气中温和煅烧，再经过ECT得到高效的OER电催化剂。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种类非晶的Co-Fe-S超薄纳米片三维自支撑材料，包括以下步骤：

步骤1，配制(5-7)×10^-3M的六水合硝酸钴、(0.5-1)×10^-3M的九水合硝酸铁和0.5M的硫脲，分散均匀后以钛片作为工作电极进行电沉积，沉积完毕后利用蒸馏水进行洗涤，干燥；

步骤2，将步骤1制备得到的样品置于管式反应炉中，以(3-5)℃/分钟的升温速率从室温20-25℃升至220-300℃恒温1-2小时。

在上述技术方案中，所述电沉积过程在三电极体系的电解池中完成，其中，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为辅助电极。

在上述技术方案中，电沉积过程中，电压设定为-1.044V(相对于饱和甘汞电极)，沉积时间为5-10分钟。

本发明的另一方面，还包括所述类非晶的Co-Fe-S超薄纳米片三维自支撑材料的制备方法，包括以下步骤：