[发明专利]一种用于氢析出反应的硫掺杂磷化镍催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种用于氢析出反应的硫掺杂磷化镍催化剂的制备方法，包括：A)将镍源、铵源、尿素和水混合，超声、搅拌分散得到第一复合载体；B)将第一复合载体在支撑体上反应得到第二复合载体；C)将第二复合载体和磷源、硫源反应得到氢析出的磷化镍催化剂。本发明提供的方法首先将镍源、铵源、尿素和水反应得到氢氧化镍第一复合载体，而后在支撑体上生长得到第二复合载体；而后同时和磷源、硫源反应得到硫掺杂的磷化镍催化剂。本发明的方法将催化剂直接生长于集流体上，使得集流体和催化剂连接更加紧密，无需粘结剂，不仅节约了成本，还增大了电导率，使得电荷传质更为快捷，同时对氢析出反应具有高催化活性和高稳定性。

技术领域

本发明涉及电解水技术领域，尤其是涉及一种用于氢析出反应的硫掺杂磷化镍催化剂及其制备方法。

背景技术

电解水技术为可再生能源储存提供了有吸引力的化学方法。作为电解水的阴极半反应，氢析出反应需要有效的催化剂，以使电解水反应在较低过电位下产生较大的电流密度。贵金属如铂催化剂是目前最有效的氢析出催化剂，然而，由于铂的低地壳含量丰度和高价格抑制了电解水技术的大规模商用。因此开发高效的、廉价的、易制备的、具有长效耐久性的催化剂是研究工作者努力的方向和面临的最大挑战。大部分电解水设备和水电解槽及其器件被设计为在酸性条件下操作，基于质子交换膜技术的电解单元也要求在强酸性条件下工作。镍(Ni)作为一种有趣的非贵金属可用于低成本的催化析氢反应。然而，通常镍和镍合金催化剂由于酸性溶液中的腐蚀问题而限于碱性溶液。过渡金属磷化物(TMP)是具有类金属特性的重要化合物，由于其良好的导电性而广泛用于催化氢析出反应。

一系列具有无定形、单晶或者多晶结构的镍磷化物已经被广泛研究(X.Wang,Y.V.Kolen'ko,X.Q.Bao,K.Kovnir,L.Liu,One-Step Synthesis of Self-SupportedNickel Phosphide Nanosheet Array Cathodes for Efficient ElectrocatalyticHydrogen Generation,Angew.Chem.Int.Ed.,2015,548188-8192)。最近的研究表明，位于具有P端基表面的金属磷化物结构中的P中心上的极化诱导的部分负电荷吸引质子使其排放更容易，从而促进了氢析出反应的顺利进行(S.Anantharaj,S.R.Ede,K.Sakthikumar,K.Karthick,S.Mishra,S.Kundu,Recent Trends and Perspectives in ElectrochemicalWater Splitting with an Emphasis on Sulfide,Selenide,and Phosphide Catalystsof Fe,Co,and Ni:A Review,ACS Catal.,2016,6 8069-8097)。显而易见的是，具有较高P含量的金属磷化物具有更高的氢析出反应活性。然而，需要指出的是，过渡金属磷化物的表面容易被氧化，这导致(电)化学稳定性在长时间和连续操作中不能维持较长时间(Z.Huang,Z.Chen,Z.Chen,C.Lv,H.Meng,C.Zhang,Ni₁₂P₅Nanoparticles as an EfficientCatalyst for Hydrogen Generation via Electrolysis and Photoelectrolysis,ACSNano,2014,8,8121-8129)。此外，传统的粉末催化剂在与集流体复合时，一般需要诸如Nafion或者PTFE作为粘结剂，这些粘结剂会阻塞催化剂的催化活性位点，同时催化剂和集流体的结合并不是特别牢固，催化剂容易从集流体上脱落而导致催化活性位点减少，催化活性下降。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种硫掺杂的磷化镍催化剂的制备方法，其中硫掺杂可以有效抑制硫化镍表面被氧化，从而在无需粘结剂的同时对氢析出反应兼具高催化活性和高稳定性。

本发明提供了一种用于氢析出反应的硫掺杂磷化镍催化剂的制备方法，包括：