[发明专利]一种缺陷的钴掺杂二硫化铁多孔中空花状纳米粉体的制备方法及电催化应用

说明书

本发明提供了一种具有缺陷的钴掺杂二硫化铁多孔中空花状纳米粉体的制备方法及电催化应用。首先，制备铁、钴反应液，加热合成无定形钴铁氧体纳米粉体；然后溶剂热法进行硫化反应制得钴掺杂二硫化铁花状纳米粉体；最后，在惰性气体保护下退火处理，得到有缺陷的钴掺杂二硫化铁多孔中空花状纳米粉体。有缺陷的钴掺杂二硫化铁多孔中空花状纳米粉体应用到电催化产氧反应（OER）具有优异的催化性能，过电位低至0.270 V（相对标准氢电极），塔菲尔斜率低至40 mV/dec。

技术领域

本发明涉及无机纳米粉体的制备及应用领域，具体涉及一种基于溶剂热法制备具有缺陷的钴掺杂二硫化铁多孔中空花状纳米粉体的方法及在电催化分解水的应用。

背景技术

石油、煤炭等化石燃料的稀缺性及其放能过程所释放的污染性物质是可持续发展面临的重大问题，考虑到人们对生活质量要求的日益增加，探索清洁、高效、可再生的新型能源（风能、潮汐能、氢能、太阳能等）已成为当今世界研究的焦点。值得注意的是，氢能源因其连续稳定、清洁可再生、能量密度高等优异性特点成功地引起了人们的关注。因此，清洁、高效、安全的电催化分解水产氢法得到了深入的研究并取得了重大突破。然而，迄今为止电催化分解水产氢仍面临着过电位高、动力学缓慢等问题，严重阻碍了氢能的工业化生产，因此如何降低过电位，加快反应速率从而降低能耗实现氢经济备受关注。众所周知，贵金属（例如，铂、钌）是目前效果最好的电催化分解水催化剂，然而贵金属在地球上稀缺有限、价格昂贵使电催化分解水的工业化应用仍面临着巨大挑战。所以探寻廉价易得、含量丰富、新颖高效的电分解水催化剂迫在眉睫。

近期报道发现，过渡金属由于含量丰富、价格低廉、电子结构易调控、丰富的化学价态等优点在电池、电催化、超级电容器等领域表现出优异的性能，尤其在电催化水分解领域性能优异引起了人们的关注。然而，过渡金属普遍具有带隙宽度大、电子转移阻力大、活性位点少等缺点使其在成为理想的电催化剂道路上仍面临重大挑战。随着人们对过渡金属认识的进一步深入并受益于当下各种调控手段的发展，过渡金属必将成为最有潜能的电催化候选者之一。此外，硫化作为一种调控优化材料电子结构及活性位点从而提高材料催化性的手段已经得到了广泛的应用。

运用各种有效的化学手段对纳米材料进行修饰调控，可以实现材料本征催化性能的优化。诸多化学手段中，掺杂及制造缺陷作为一种简单、有效的性能调控手段，可以实现对材料配位环境、活性位点、电子结构等性能的优化。例如，我们已经报道的通过金属钒原子掺杂实现二硫化钼电子结构的调控优化，减小二硫化钼禁带宽度，最终优化其催化性能。阳离子掺杂通常可以调控材料的电子结构从而提升催化活性，并且阳离子引入后，可以改变本征材料的局部配位环境，对周围空间结构的细微变化有重要的应用价值，同时掺杂有利于创造更多缺陷位点。另外，退火处理使材料晶型更完美，并在材料表面制造缺陷，使纳米片表面具有部分断裂和空隙，形成多孔中空纳米结构，有效减小了电解反应过程中体积膨胀所带来的催化性下降问题，大幅度提升了材料的稳定性，并且大幅度增加了与电解液的接触面积从而提升催化活性。近年，借助阳离子掺杂及制造缺陷实现对催化剂的活性进行有效调控成为催化剂优化的重要方法。鉴于此，本发明提供了一种具有缺陷的钴掺杂二硫化铁的催化材料通过调控优化电子结构、创造缺陷位点、提高周转频率大幅度提升催化活性。

发明内容

1. 一种缺陷的钴掺杂二硫化铁多孔中空花状纳米粉体的简单制备方法，步骤如下：（1）配制特定比例的钴、铁预反应溶液，加热反应一定时间后得到灰褐色无定形钴铁氧体纳米粉体；（2）硫源化合物与无定形钴铁氧体纳米粉体进行溶剂热反应，反应一定时间后得到钴掺杂二硫化铁花状纳米粉体；（3）将钴掺杂二硫化铁花状纳米粉体置于管式炉中在惰性气氛下进行退火处理，得到缺陷钴掺杂二硫化铁多孔中空花状纳米粉体。

2. 一种缺陷的钴掺杂二硫化铁多孔中空花状纳米粉体的简单制备方法，步骤（1）中，钴源为六水合硝酸钴、六水合氯化钴、乙酰丙酮钴、钴氰化钾、四水乙酸钴、三氧化二钴中的一种或几种的组合，浓度为0.01 ~ 0.06 mol/L；最优为六水合硝酸钴、六水合氯化钴，浓度最优为0.02 ~ 0.04 mol/L。