[发明专利]一种水分解用自支撑过渡金属硫化物泡沫电极的制备方法

说明书

本发明提供一种水分解用自支撑过渡金属硫化物泡沫电极的制备方法，属于电催化水分解领域。该电极是利用电沉积法对单元素泡沫镍表面修饰后合成二元或多元合金；然后将合成的泡沫过渡金属浸入硫脲溶液中进行水热反应，得到自支撑双功能过渡金属硫化物泡沫电极。制备得到的硫化物电极同时应用在电解水的阴阳极中，具有优异的电催化析氢析氧性能。

技术领域

本发明涉及一种水分解用自支撑过渡金属硫化物泡沫电极的制备方法，属于电催化水分解领域。

背景技术

随着地球人口的增长和经济的快速发展，加速了化石燃料资源的枯竭，同时带来巨大的环境污染问题，氢(H₂)因其具有来源广泛、高能量密度、燃烧产物无污染的特点而被视为最有希望的能量载体。众所周知，电解水是产生H₂最清洁的方式，它不像天然气重整过程会排放温室气体CO₂及其他大气污染物。更重要的是，电解水获得的H₂纯度高，不含一氧化碳和其他杂质，可直接用于燃料电池的进料从而避免阳极催化剂中毒。然而，利用水电解槽制氢到目前为止还没有被广泛推广和应用，主要是因为由电解水产生的H₂成本依然较高。因此，开发高效的、非贵金属双功能析氢(HER)和析氧(OER)催化材料对于简化电解槽系统设计，降低电解水能耗，最终降低H2生产成本具有重要的现实意义。

到目前为止，Pt和Pt基材料是最有效的HER催化剂，IrO₂和RuO₂则被认为是最好的OER催化剂。由于这类贵金属原料的高成本和在自然界中的稀缺性，极大地阻碍了它们在电解水工业中的大规模应用。当前工业用电解水电极材料主要为镍和镍合金材料，由于在酸性溶液中其耐腐蚀性较差，往往采用碱性电解槽，该系统存在较大的析氢、析氧过电位和电阻电压降，从而造成其电解能耗大、效率低等诸多问题。因此，如何开发和设计低成本、高催化活性的非贵金属析氢、析氧催化剂引起科研工作者们的持续关注。近年来，随着量子化学理论在新材料设计方面的应用，多种高活性、非贵金属HER催化剂已被成功预测并被大量报道，包括过渡金属硫化物、硒化物、碳化物、硼化物、氮化物、磷化物等。含有镍、铁、钴等组元的双层状氢氧化物，或者它们的煅烧衍生混合金属氧化物纳米复合材料则在OER催化中显示出较好的活性和稳定性。然而，这些电催化剂大多数是半导体或绝缘体，极大地阻碍电子从电催化剂转移到集流体电极，从而限制了它们的总体催化效率、降低了潜在利用价值。另一方面，所产生气体在活性物质表面脱附析出时，聚集形成的气泡浮力很大，析出速率很快，易造成活性物质从集流体电极表面脱落，导致电极耐久性差。再者，成熟的商业化电极集流体材料种类较少，且大都是单组元金属，需要通过表面改性技术来拓展其表层元素组成。因此，如何构筑催化活性物质与集流体牢固结合且电子电导优越的一体式电极，对于提升电解水催化活性，降低析氢、析氧过电位具有重要意义。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种水分解用自支撑过渡金属硫化物泡沫电极的制备方法。该方法原材料来源廉价丰富，制备工艺简单易行，制得的电极比表面积大、催化活性高、耐久性良好，可同时应用于电解水阴极析氢反应和阳极析氧反应。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案为：一种水分解用自支撑过渡金属硫化物泡沫电极：所述电极的基体是具有三维多孔结构的泡沫镍，利用电沉积方法对其表面修饰后，泡沫镍表面为二元或多元过渡金属层，再对修饰后的泡沫金属进行水热硫化处理，形成自支撑过渡金属硫化物电极。所述泡沫镍的厚度为1.6mm，纯度为99.99％，孔隙率为98％，孔径为110PPI。用电沉积方法对泡沫镍表面修饰，合成二元或多元合金层。把制备好的硫化前驱体材料浸入硫脲溶液中进行水热反应，得到自支撑双功能过渡金属硫化物泡沫电极。所述的电沉积过程的电镀液为铁、钴、钼、铜或钨的硝酸盐、硫酸盐、钠盐、氯化物中的一种或多种的混合液。利用多功能脉冲电镀电源电沉积的时间为1h-4h，电流密度为2-10mAcm^-2。所述硫源为硫脲，硫脲溶液的浓度为0.01-0.1M。水热反应温度为150-200℃，反应时间为8h-48h。

附图说明