[发明专利]一种二维CuCo2S4纳米片及其制备方法和作为电催化剂在氧还原和析氧反应中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料及其制备和应用，特别涉及一种CuCo₂S₄纳米片及其制备方法和作为电催化剂在氧还原(ORR)和析氧反应(OER)中的应用。

背景技术

随着对清洁能源的迫切需求，使得科学家们不断寻找减少二氧化碳排放的方法，即利用新的可持续资源，减少对化石燃料的依赖。其中，为能源转换和存储设备设计低成本、高活性的催化剂就是一个重要方法。氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是各种可持续能源技术，如金属-空气电池、可再生燃料电池、水解和太阳能燃料等领域中关键的电极过程。然而，ORR和OER过程受到缓慢动力学的限制，因此，电催化剂在这些领域中至关重要。

目前，最好的催化ORR和OER的催化剂由铂类金属组成，这类材料地球储量少而且昂贵。此外，良好的ORR催化剂对催化OER反应却表现出较差的活性，反之亦然。因此，开发一种能同时催化ORR和OER、廉价、高效的双功能催化剂是非常迫切的，但同时也是面临的一个挑战。

二维过渡金属硫属化合物纳米结构由于它们独特的特性已经引起了广泛的关注，有望应用于光电，能源存储，传感，催化等领域。CuCo₂S₄由地球含量丰富的元素组成，在常温常压下阻值很低(10^-4Ω)，已经被用作Li离子电池的正极。目前，关于CuCo₂S₄纳米材料的报道还较少，尤其是具有二维纳米结构的CuCo₂S₄目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种二维CuCo₂S₄纳米片的制备方法。所述制备方法采用简单易行的非水体系合成法，通过固液相化学反应，在常压和相对较低的温度下合成了二维CuCo₂S₄纳米片，所述方法工艺简单、反应时间短、可重复性强，适合于批量生产。

本发明的另一目的在于提供通过上述方法制备得到的一种二维CuCo₂S₄纳米片。

本发明的另一目的还在于提供上述二维CuCo₂S₄纳米片作为电催化剂在氧还原(ORR)和析氧反应(OER)中的应用。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种二维CuCo₂S₄纳米片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将铜源乙酰丙酮铜(Cu(acac)₂)、钴源乙酰丙酮钴(Co(acac)₂)、溶剂十二胺(DDA)加入反应器中，以一定速率升温至100-130℃反应；

(2)将硫源十二烷基硫醇(DDT)加入步骤(1)所述反应混合物中，以一定速率升温到220-260℃反应，将反应产物冷却至室温、离心分离、洗涤、干燥得到二维CuCo₂S₄纳米片。

所述方法中，乙酰丙酮铜、乙酰丙酮钴、十二胺以及十二烷基硫醇物质的量比为1-1.67：2-3.34：94.33-283：10.93-36.43。

所述方法中，步骤(1)以及步骤(2)中，升温速率均为3-10℃ min^-1。

所述方法中，步骤(1)反应时间为20-40min；步骤(2)反应时间为10-60min。

所述方法中，步骤(2)采用乙醇和正庚烷洗涤，室温真空条件下干燥。

本发明所述的一种二维CuCo₂S₄纳米片的制备方法采用简单易行的非水体系法，采用“热注入”的方式加入硫源DDT，形成所述的二维CuCo₂S₄纳米片。本发明方法在二维CuCo₂S₄纳米片的制备中，所用的铜源和钴源前驱体为Cu(acac)₂和Co(acac)₂，溶剂为DDA，硫源是DDT，同时DDT还作为结构导向剂来诱导CuCo₂S₄纳米片的生长。所述制备方法采用的原料毒性较低，反应温度较低，易于实现。

本发明还涉及一种由上述制备方法制得的一种二维CuCo₂S₄纳米片。