[发明专利]一种硫掺杂的氧化亚铜三维纳米多孔材料及其电化学析氢反应中的应用

说明书

技术领域

本发明属于清洁可持续新型能源制备应用领域，特别涉及一种硫掺杂的氧化亚铜三维纳米多孔材料及其电化学析氢反应中的应用。

背景技术

目前，化石燃料仍然是工业生产的主要原料，其燃烧不仅对环境造成严重的污染，产物CO₂产生温室效应，而且化石燃料是一种不可再生能源，因此大量的努力用于寻找清洁可再生能源用来代替化石燃料。由于氢能源来源于水，燃烧生成水，是一种理想的可用于代替化石燃料的能源，并且可作为能源载体。目前工业制氢的主要方法有三种：甲烷蒸汽重整、煤炭气化和电解水,前两种方法占氢气产量的95%，电解水只占4%，前两种方法消耗不可再生资源，且产生CO₂，产生温室效应，因此电解水是一种有前景的、可持续循环利用的工业制氢方法。

用于电化学制氢的化学元素一类是贵金属Pt，虽然其制氢性能优越，但贵金属价格昂贵、地壳含量少，限制了在工业应用上的发展；另一类是过渡金属元素和非金属元素结合用于构建电催化材料。最常应用于电化学制氢的过渡金属元素为Mo、Co、Ni，与这三种元素相比，Cu具有更高的地壳含量，低廉的价格，低毒性，更好的生物选择性，更丰富的可氧化还原状态，丰富的化学配位。但铜与其他过渡金属元素相比，对氢的吸附能力较弱，因此要对Cu进行修饰，与其他非贵金属结合来优化其导电性以及催化中心的电子结构。

氧化亚铜作为一种过渡金属氧化物，其稳定性很难控制，而且氧化亚铜是一种半导体，导电性较差，从而降低了催化剂的催化性能，因此在电化学制氢方面应用较少。这里我们采用电化学制备的方法，将常温浸泡得到的硫化亚铜转变为硫掺杂的氧化亚铜纳米多孔材料，合成出的材料具有较高的比表面积，并将其应用于酸性、碱性电解质分解水制氢以及碱性电解质中全分解水，都取得了较好的效果。合成出的阴离子掺杂的三元过渡金属化合物Cu₂O_xS_1-x，少量的硫掺杂使催化剂的性能达到最优，其中S^2-代替了O^2-的位置，有效的降低了电催化制氢的中间能，提高了对氢的吸附能，从而提高了电化学制氢性能，对高产氢活性起到积极作用。所以这种硫掺杂的氧化亚铜三维纳米多孔材料将具有很大的发展和应用前景。

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供价格低廉，制备简单的一种硫掺杂的氧化亚铜三维纳米多孔材料，并应用于电化学全分解水催化领域。该硫掺杂的氧化亚铜三维纳米多孔材料具有催化活性高、稳定性好等特点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种硫掺杂的氧化亚铜三维纳米多孔材料及其在电化学析氢反应中的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种硫掺杂的氧化亚铜的三维纳米多孔材料的制备方法，步骤如下：

（1）将6.4 g氢氧化钠和1.368 g过硫酸铵溶于60 ml去离子水中，搅拌均匀，得到混合溶液。

（2）把清洗后得到的泡沫铜放入到混合溶液中，常温25℃浸泡20 min，取出去离子水冲洗，N₂其吹干，得到表面形成氢氧化铜的泡沫铜；

（3）将步骤2处理后的泡沫铜浸泡于Na₂S溶液中，常温25℃浸泡24 h，所述Na₂S的浓度为0.05mol/L，溶剂由去离子水和甲醇按照体积比1:1组成；然后取出用去离子水冲洗，N₂吹干，得到表面负载硫化亚铜的泡沫铜。

（4）将步骤3处理后的泡沫铜用电化学循环伏安cv进行活化，得到硫掺杂的氧化亚铜三维纳米多孔材料，cv活化的电位窗口为 0.1V～-0.8V vs RHE，扫描速率为100 mV/s，电解液是0.5M H₂SO₄，循环圈数为1500圈，对电极是Pt片。

本发明的有益效果是：本发明通过简单的常温浸泡以及电化学扫描过程得到了硫掺杂的氧化亚铜的三维纳米多孔材料，采用该材料制备的电极可以应用于电化学析氢。在催化活性方面，合成出的阴离子掺杂的三元过渡金属化合物Cu₂O_xS_1-x，少量的硫掺杂使催化剂的性能达到最优，其中S^2-代替了部分O^2-的位置，有效的降低了电催化制氢的中间能，提高了对氢的吸附能，从而提高了电化学制氢性能，对高产氢活性起到积极作用，并且提高了催化材料的稳定性。

附图说明