[发明专利]一种镍掺杂Co9

说明书

本发明涉及一种镍掺杂Co₉S₈纳米片双功能电催化剂及其制备方法，属于全解水制氢技术领域。所述方法包括如下步骤：(1)利用电沉积法在导电柔性基底上沉积Ni‑Co纳米片前驱体，(2)以步骤(1)中前驱体为原料，利用水热法制备镍掺杂的Co₉S₈纳米片，即得。本发明通过简单的电沉积和水热反应法，以导电柔性基底为模板，在其表面上形成了垂直生长的Co₉S₈纳米片，大幅度增加了纳米片与电解液的有效接触面积，暴露了更多电催化活性位点，同时缩短了离子扩散途径，大大提高了电催化活性。同时，本发明还通过镍掺杂使Co₉S₈的电子结构得到了有效调控，显著提高了其电子转移效率和导电性。

技术领域

本发明属于全解水制氢技术领域，尤其涉及一种能够同时实现析氢和尿素污水治理的双功能电催化剂及其制备方法。

背景技术

能源危机和环境污染目前是人类社会面临的主要问题。氢气，作为清洁可再生能源，由于零排放和较高的能量密度一直被人们密切关注和追求。在众多制备氢气的生产方法中，电解水产氢由于便于操作和环境友好被认为是最有潜力的产氢技术之一。然而，作为全解水的阳极半反应，氧气析出反应由于需要实现四电子的转移（4OH^-→O₂+2H₂O+4e^-），导致电解水往往在较大的过电位下才能实现产氢，从而极大的限制了电解水产氢的实际应用。

幸运的是，科研工作者们发现可以采用更容易被电氧化的小分子代替析氧反应，在较低的过电位下即可以实现全解水制氢。其中，在工业废水和生活污水中普遍存在的尿素，就可以用来与阴极析氢反应结合实现产氢。通过电氧化反应，尿素可以被分解为N₂和CO₂，与此同时在阴极水被还原为氢气，同时实现产氢和尿素污水治理。更重要的是，尿素氧化反应的热力学平衡电压为0.37 V vs. RHE，远远低于析氧反应的平衡电压（1.27 V vs.RHE），意味着将尿素氧化反应取代析氧反应可以大大降低电解水的过电位。然而，尿素氧化反应需要实现六电子转移（CO(NH₂)₂+6OH^-→N₂+5H₂O+CO₂+6e^-），制备高活性的尿素氧化电催化剂仍然是迫切需要的。因此，发展一种双功能催化剂同时实现析氢和尿素污水治理是人们面临的巨大挑战。

近几年，镍基电催化剂由于较大的地球储备和高催化活性被广泛用于尿素电解氧化，例如镍氢氧化物，镍-钼复合材料以及镍合金等；为了提高电催化剂的催化活性，大量的科学研究用于增加材料的电催化活性位点和导电性等。Wu等（Xiaojiao Zhu, Xinyu Dou,Jun Dai, et al, Metallic Nickel Hydroxide Nanosheets Give SuperiorElectrocatalytic Oxidation of Urea for Fuel Cells[J]. Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55: 12465-12469）结合密度泛函理论计算和实验结果证实在氢氧化镍中掺杂硫，使电催化性能得到明显改善。Wen等（Pingwei Cai，Junheng Huang, Junxiang Chen, et al,Oxygen-Containing Amorphous Cobalt Sulfide Porous Nanocubes as High-ActivityElectrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction in an Alkaline/NeutralMedium[J]. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56: 4858-4861）报道了一种O掺杂的CoS₂电催化剂，通过研究发现由于异质O原子的存在，大大增加了催化剂对于O*的吸附性能，使材料展现出了优异的电氧化催化活性。