[发明专利]一种三维氮掺杂过渡金属氧化物/硫化镍复合催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维氮掺杂过渡金属氧化物/硫化镍复合催化剂，包括作为基底的镍泡沫、原位生长在镍泡沫上的氮掺杂过渡金属氧化物和硫化镍。本发明还公开了一种制备三维氮掺杂二氧化钼/硫化镍复合催化剂的方法：将镍泡沫基底浸渍在四硫代钼酸铵溶液中，浸渍结束后干燥，得到含四硫代钼酸铵的镍泡沫前驱体；将镍泡沫前驱体真空高温煅烧，得到二氧化钼/硫化镍复合催化剂；将二氧化钼/硫化镍复合材料进一步通过热氨化处理，得到三维氮掺杂二氧化钼/硫化镍复合催化剂。本发明还提供一种复合催化剂作为阴极催化材料在电解水阴极HER反应的应用，其在碱性电解液中展现出优异的电催化性能，且具有良好的稳定性，进一步提高氢能开发和利用的可能性。

技术领域

本发明属于纳米材料技术和电化学能源转化技术领域，特别是一种三维氮掺杂过渡金属氧化物/硫化镍复合催化剂及制备方法和应用。

背景技术

氢能被广泛认为是传统化石燃料的理想替代品，目前，在各种析氢方法中，电化学水分解产氢是目前最具有前景的方法之一，被广泛的深入研究。然而，目前用于析氢反应(HER)的活性电催化剂中，贵金属Pt基催化剂是已报道的最佳电催化剂，但其高成本及稀缺性阻碍了Pt基催化剂的大规模工业应用。近年来，许多研究工作致力于开发低成本的非贵金属HER电催化剂，其中包括过渡金属碳化物，硫化物，硒化物和氧化物，用于取代贵金属催化剂。

在这些替代催化剂中，过渡金属硫化物例如MoS₂,CoS₂和Ni₃S₂等电催化剂已被广泛报道在HER中具有较好的催化性能。如公开号为CN105618098A的中国专利文献公开了一种掺氮二硫化钼载铂光催化剂及其制备方法，该方法首先选择钼酸钠和硫代乙酰胺作为原料，采用水热法制备二硫化钼纳米片；然后将二硫化钼纳米片在氨气气氛下热处理，得到掺氮二硫化钼纳米片，最后将掺氮二硫化钼纳米片以光还原法负载贵金属铂，即得掺氮二硫化钼载铂光催化剂。如公开号为CN106807404A的中国专利文献公开了一种非贵金属基碳包覆硫化镍光催化剂的制备方法及其应用，是以醋酸镍和硫源为原料，经水热反应制得硫化镍；再以葡萄糖为碳源，将硫化镍与其一起进行二次水热处理，即制得高效非贵金属基碳包覆硫化镍光催化剂。Yipeng Zang等人通过对碳化钼进行可控硫化的方式将碳化钼转化成碳掺杂的二硫化钼(C-MoS₂)，在碱性条件下具有很好的电催化活性(Nat.Commun.,2019,10,982)。但是C-MoS₂作为电催化剂，其自身的导电性并不好，很难达到工业实际应用的标准。因此，通过构建一种过渡金属硫化物和氧化物的复合电催化剂能够有效的协同两者的优势以及杂原子掺杂进一步提升电催化活性，来满足工业生产的实际情况是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮掺杂过渡金属氧化物/硫化镍复合催化剂和制备方法，应用在碱性条件下对电解水阴极HER反应具有较高的电催化活性和较好稳定性。

本发明提供如下技术方案：

一种三维氮掺杂过渡金属氧化物/硫化镍复合催化剂，所述复合催化剂包括作为基底的镍泡沫、原位生长在镍泡沫上的氮掺杂过渡金属氧化物和硫化镍。氮掺杂过渡金属氧化物和硫化镍之间存在协同催化效应。

所述复合催化剂为三维氮掺杂二氧化钼/硫化镍复合催化剂、三维氮掺杂氧化镍/硫化镍复合催化剂或三维氮掺杂氧化铁/硫化镍复合催化剂。

优选的，所述复合催化剂为三维氮掺杂二氧化钼/硫化镍复合催化剂。所述三维氮掺杂二氧化钼/硫化镍复合催化剂的化学式为：N-MoO₂/Ni₃S₂NF，其中，N-MoO₂为氮掺杂氧化钼；Ni₃S₂为硫化镍，NF为镍泡沫。

本发明还提供一种三维氮掺杂过渡金属氧化物/硫化镍复合催化剂的制备方法，所述复合催化剂为三维氮掺杂二氧化钼/硫化镍复合催化剂，所述制备方法包括以下步骤：