[发明专利]一种利用形貌及结构调控电催化产氧的钨掺杂硫化镍催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种利用形貌及结构调控电催化产氧的钨掺杂硫化镍催化剂及其制备方法与应用。该方法包括：将钨源、硫源及包裹剂溶于水中，得到混合溶液；将泡沫镍浸泡在混合溶液中，水热反应，洗涤，得到钨掺杂硫化镍催化剂。该发明属于能源纳米材料技术领域，采用水热法一步制备了W‑Ni₃S₂纳米棒，利用掺杂和不同的包裹剂对Ni₃S₂的形貌和电子结构进行调控，并将得到的W‑Ni₃S₂纳米材料用于电催化产氧，性质优良。用过渡金属硫化物催化剂代替市面上常用的贵金属氧化物，大大降低了催化剂的成本，制备的W‑Ni₃S₂催化剂具有较低的过电位、很强的导电性、优秀的催化性能和好的稳定性，有望实现在电催化产氧领域的广泛应用。

技术领域

本发明涉及能源纳米材料技术领域，具体涉及一种利用形貌及结构调控电催化产氧的钨掺杂硫化镍催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

随着工业社会的发展，能源和环境成为和人类社会可持续发展密切相关的两个关键问题。由于长期过度使用化石燃料给人类社会带来了一系列的环境问题，人类急切需要清洁、可持续和能量密度高的能源作为能量转换和储存的载体，这使得清洁能源生产技术愈发重要。

电解水在能源储存与转化中的扮演着重要角色，不仅能够储存太阳能等可再生能源，还能产生高纯的氧气和氢气，因此受到众多研究者的广泛关注。但由于析氢反应(HER)和产氧反应(OER)反应时的过电位较大，会导致严重的能源浪费，特别是产氧反应涉及四电子过程，动力学较为缓慢。目前公认优良的电催化剂分别是Pt/C(HER)和RuO₂、IrO₂(OER)，但是昂贵的价格和有限的储存量严重制约了这些贵金属催化剂的大规模商业化应用，因而迫切需要开发高效的非贵金属催化剂，以较低过电位和较高反应速率驱动质子还原并促进氧气析出。

在已报道的众多电催化剂候选材料中，过渡金属硫族化合物(TMDs)因其成本低、环境友好等优点引起了研究者们极大的兴趣。例如，硫化镍已经被证明是一种很有前途的催化剂，在许多反应中都具有优良的催化性能，特别是对OER的高活性。近来，各种硫化物镍纳米结构已经被合成并在电解水方面进行应用，如Zhou等人报道直接在泡沫镍上原位生长的Ni₃S₂具有优秀OER 性能，在碱性环境中，电流密度为10mA·cm^-2时，过电位仅为187mV(Zhou W.,Wu X.J.,Cao X.et al.Ni₃S₂ nanorods/Ni foam composite electrode withlow overpotential for electrocatalytic oxygen evolution[J].Energyenvironmental science,2013,6(10):2921-2924.)。除此之外，可以通过掺杂新元素提高硫化物电解水的性能，例如Kelong Ai团队通过水热法合成了一种Fe_0.5Co_0.5S@掺氮介孔石墨碳的材料，在碱性条件下，发挥出非常好的OER性能，电流密度为10 mA·cm^-2时，过电位仅需410mV(Shen M.,Ruan C.,Chen Y.,et al.Covalent Entrapment of Cobalt–IronSulfides in N-Doped Mesoporous Carbon: Extraordinary BifunctionalElectrocatalysts for Oxygen Reduction and Evolution Reactions[J].ACS AppliedMaterialsInterfaces,2015,7(2):1207-1218.)。然而，纯的硫化物表面暴露的活性位点较少、催化活性不高、稳定性也比较差，这些都阻碍了其电催化活性的进一步提高，限制了其未来的商业应用。

发明内容