[发明专利]一种Ni基非金属掺杂催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种Ni基非金属掺杂催化剂的制备方法，该制备方法合成NiO/NF、NiS₂/NF和Ni₃N/NF；该方法以网状多孔的泡沫镍作为结构骨架，先用水热方法合成Ni(OH)₂/NF前驱体，再以管式炉煅烧形式在所述泡沫镍的表面垂直生长NiO纳米片(简称为NiO/NF)、NiS₂纳米片(简称为NiS₂/NF)、Ni₃N纳米花(简称Ni₃N/NF)；本发明方法操作简单，制备条件温和，采用的S源、N源以及过渡金属原材料，且成本较低，所制备的Ni基非金属掺杂催化剂可用于电化学催化领域如析氧反应、析氢反应、氧还原反应、电催化、CO₂还原、锌空电池、锂电池以及工业催化领域比如处理工业废水废气。

技术领域

本发明属于本发明属于催化剂制备领域，尤其是涉及一种Ni基非金属掺杂催化剂的制备方法。

背景技术

Ni基非金属掺杂催化剂如Ni的氮化物、硫化物、氧化物、磷化物等在电催化领域如析氧反应(OER)、析氢反应(HER)、CO₂还原以及其他领域如工业处理废水废气、半导体领域中均具有广泛的应用价值。

Ni的氧化物如NiO具有良好的催化性能、传感性能、良好的热敏和气敏等特性，可以用于阳极电致变色材料、工业处理废水、半导体领域、气体传感器、电化学析氢反应、超级电容器、锂离子电池、太阳能电池等多种领域。

Ni的硫化物如二硫化镍因具有较高的比容量，储存量充足，且成本较为低廉，被认为是锂离子电池、超级电容器、太阳能电池的理想材料；因具有良好的电催化特性可以用于检测水资源中的亚硝酸盐含量、电解水等领域；因二硫化镍是一种可见光响应的窄带隙光催化剂，在可见光照射下可以有效降解有机污染物，因此可以用于光催化处理环境中的废水废气，改善环境清洁度等。

Ni的氮化物如氮化镍具有很高的导电性、良好的热稳定性以及特殊的硬度和耐蚀性。此外，由于具有良好的电化学性能和机械性能，可以用于燃料电池催化剂的载体。由于氮化镍的催化性能高、电流密度大、选择性好、稳定性优异等特点可以水相中同时催化二氧化碳还原为一氧化碳、水/质子还原为氢气两个反应，突破了镍基催化剂的水相中产氢的限制；也可用于电化学催化产氧以及产氢来解决电解水过程贵金属基材料成本高昂、储量匮乏等问题。

目前，可以直接制得上述Ni基非金属掺杂活性材料，也可以以商业化二维、三维材料如泡沫镍、泡沫铜、泡沫碳、碳纸、碳布等作为集流体负载上述Ni基非金属掺杂活性材料以制得自负载电极用于有效的提高材料电催化性能。

目前制备NiO方法大多为水热合成粉末，然后与粘结剂和导电剂混合均匀后涂在集流体上，这种方法虽成本低廉但是制备过程相对繁琐、催化性能也有所降低。制备NiS₂方法有多种，如微波加热法以及直接煅烧法。微波加热法对设备要求极高，直接煅烧法制备方法较为繁琐，且反应时间较长，反应条件较为苛刻，且由于Ni、S价态较多，成功合成纯相的Ni基硫化物十分不易。制备氮化镍的方法大多以氨气为氮源，高温还原得到Ni基氮化物，但是氨气高温时容易燃烧、容易爆炸且有较高毒性，不利于工业化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种Ni基非金属掺杂催化剂的制备方法；该方法包括制备NiO、NiS₂或Ni₃N，制备的这些Ni基非金属掺杂活性材料以网状多孔的泡沫镍(简称：NF)作为结构骨架，在所述NF的表面垂直生长NiO纳米片、NiS₂纳米片或Ni₃N纳米花；该方法通过一步水热方法以及后续管式炉煅烧方法制备出上述催化剂；制备NiO以及NiS₂方法简单，制备条件温和，原料易得，适合大规模生产。制备氮化镍的方法避免使用氨气，直接以尿素等为N源，于管式炉进行低温热解，该方法简单易行、制备工艺安全经济，适合工业化生产。

为解决上述技术问题，发明采用如下的技术方案：