[发明专利]氮掺杂过渡金属硫化物的制备方法及其应用于电解水

说明书

本发明属于复合材料合成技术领域，涉及硫化物的制备，尤其涉及一种氮掺杂过渡金属硫化物的制备方法，包括：以去离子水为溶剂，分别配制摩尔浓度为0.05～0.2mol/L的过渡金属盐溶液，质量百分比浓度为2%的水合肼溶液；按照过渡金属盐溶液和水合肼溶液体积比为3～1：1，混合静置3～4h，形成溶胶，离心；将前驱体转入坩埚置于管式炉上风口，升华硫置于管式炉下风口，升温至300～500℃,惰性气氛煅烧30～60min,自然冷却至室温，即得。本发明操作工艺简单易行，所制得的材料电极具有较好的电化学性能和稳定性，原料廉价易得、无毒，条件温和，可控，适用于大规模工业生产，可直接作为电极用于电催化分解水析氧反应，也可适用于其他氮掺杂硫化物的制备。

技术领域

本发明属于复合材料合成技术领域，涉及硫化物的制备，尤其涉及一种氮掺杂过渡金属硫化物的制备方法及其应用于电解水。

背景技术

氢气是未来的清洁能源，电解水则是高效廉洁环保的制氢方法，主要包括电催化析氢反应（HER）和析氧反应（OER），OER是速控步骤，是制约电解水制氢转换效率的瓶颈。提高转换效率的关键就是引入高效的OER催化剂，降低反应势能，提高催化反应速率。目前贵金属IrO₂、RuO₂仍然是最佳的OER催化剂，但受它们的高成本和低储量的限制，使得电解水制氢技术无法大规模商业化应用。

随着对电解水的深入研究，过渡金属基（铁、钴、镍等）电催化材料具有对环境友好、无毒、储量丰富、热力学稳定、低成本的优点，被广泛应用于电解水领域。单一的过渡金属硫化物已被证明，性能并不佳，掺杂被认为是提高单一过渡金属硫化物OER性能的有效方法，因为掺杂可以优化电子结构，增强导电性和电荷转移能力。但是目前掺杂方法都涉及高温煅烧及使用一些污染大的化学品作为氮源。因此寻找一种条件温和，反应可控的氮掺杂方法尤为重要。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是公开了一种氮掺杂过渡金属硫化物的制备方法。

一种氮掺杂过渡金属硫化物的制备方法，包括如下步骤：

A、 以去离子水为溶剂，分别配制摩尔浓度为0.05～0.2mol/L的过渡金属盐溶液，质量百分比浓度为2%的水合肼溶液；

B、 按照过渡金属盐溶液和水合肼溶液体积比为3～1：1，优选2：1，将所述水合肼溶液倒入过渡金属盐溶液中，静置3～4h，形成溶胶，离心，所得前驱体干燥备用；

C、 将所述前驱体转入坩埚置于管式炉上风口，升华硫置于管式炉下风口，以10℃/min速率升温至300～500℃,在惰性气体保护下煅烧保温30～60min,自然冷却至室温后，得到氮掺杂过渡金属硫化物，其中所述前驱体与升华硫的质量比为1:2～10,优选1：5。

本发明较优公开例中，步骤A所述过渡金属盐为过渡金属的硝酸盐、氯化盐或硫酸盐。

进一步的，所述硝酸盐为硝酸镍、硝酸钴、硝酸铁、硝酸铜、硝酸铝、硝酸锌、硝酸钒、硝酸钼、硝酸铬等；所述氯化盐为氯化镍、氯化钴、氯化铁、氯化铜、氯化铝、氯化锌、氯化钒、氯化钼、氯化铬等；所述硫酸盐为硫酸镍、硫酸钴、硫酸铁、硫酸铜、硫酸铝、硫酸锌、硫酸钒、硫酸钼、硫酸铬等。

本发明较优公开例中，步骤B中所述离心时转速为5000～8000r/min。

本发明较优公开例中，步骤C所述惰性气体为高纯度氮气或者氩气。

根据本发明所述方法制得的氮掺杂过渡金属硫化物，其形貌为20nm～30nm的粗糙实心小球，易分散在水和乙醇中。

硫化物在激烈的电化学氧化过程中，易形成羟基氧化物，而后者被认为是电催化析氧的活性物质，研究表明直接合成的羟基氧化物的活性是远低于硫化物转化的。氮掺杂可以改金属原子的电子云密度，降低脱附氧气过程中的能垒。