[发明专利]一种1维/1维纳米结构组装的硫化镍/磷化镍的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种1维纳米线外延生长在1维纳米棒上的硫化镍/磷化镍的制备方法及其应用。即，通过水热法制备硫化镍(Ni₃S₂)纳米棒，随后在PH₃气氛下，将Ni₃S₂纳米棒放于管式炉中进行煅烧。强还原性的PH₃气体，在置换S的同时，促进了纳米线在纳米棒上的外延生长，最终的得到1维/1维结构组装的Ni₃S₂‑Ni₁₂P₅材料。该材料在电催化分解水阳极析氧反应具有非常重要的用途。本发明的1维/1维硫化镍/磷化镍的材料不仅可以直接作为电催化析氧反应的工作电极，同时还可以用于电解水工艺、太阳能电解水产氧以及二氧化碳还原等领域。

技术领域

本发明涉及一种1维/1维纳米结构组装的硫化镍/磷化镍材料，其为纳米线外延生长在纳米棒上的多级结构。此产品在电催化分解水阳极析氧过程具有非常重要的用途，在环境保护和清洁能源领域也具备潜在的应用价值。

背景技术

随着化石能源的逐渐短缺以及环境污染问题的加重，可再生能源转换与储存技术吸引了更多研究人员的注意。电催化分解水作为一种生产清洁能源的重要方法。由于缓慢的动力学反应过程，阳极析氧反应(OER)极大地限制该技术的发展。氧化钇(IrO₂)和氧化钌(RuO₂)作为经典的OER材料，高成本以及稀缺性使其不能长久地应用于大规模工业化。因此，如何制备出高性能、廉价的替代品成为众多科学家的研究目标。OER反应受到两方面因素影响：一是电化学活性面积；二是催化剂本征活性，其中本征活性与材料的导电性与价态相关。金属性的过渡金属硫化物，磷化物，氮化物显现了优异的性能，于是选择高本征活性的材料进而暴露更多的活性位点成为研究的热点。

多级纳米结构是由包含低维纳米单元组装的特殊结构，制备多级纳米结构是增加活性位点数量最具前景的方式之一。根据查阅文献，大量多级结构在OER领域中有所报道，并带来性能上的提升。比如二维(2D)/2D Ni-Fe-OH@Ni₃S₂、2D/零维(0D)Ni_xFe_1-xSe₂、一维(1D)/2D MoS₂-Ni₃S₂、1D/0D Ni(OH)₂-TCNQ等催化剂。一维纳米结构可以加快电荷定向传输，并且充分地暴露活性位点。然而尽我们所知，由1D/1D单元组装的多级纳米结构在该领域并未被报道过。磷化处理方法可用来制备一维纳米结构，在此基础上，我们对经典的硫化镍纳米棒进行磷化处理，强还原性的PH₃气体在置换S的同时促进了纳米线在纳米棒上的外延生长，最终得到1D/1D硫化镍/磷化镍材料。

本发明中利用水热硫化和高温煅烧磷化的方法在泡沫镍表面原位生长1维/1维纳米结构组装的硫化镍/磷化镍Ni₃S₂-Ni₁₂P₅作为析氧电催化剂。该合成方法简单、安全，原材料成本低、来源广、性能优异。在1.0M KOH水溶液电解质中，当过电位为155mV时，电流密度也可达到10mA cm^-2，并且能够保持稳定的工作状态达到130个小时以上；在0.5M KHCO₃水溶液电解质中，当其过电位在180mV时，电流密度为10mA cm^-2，是一种取代贵金属析氧的较好材料。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供1维/1维纳米结构组装的硫化镍/磷化镍的制备方法和应用，制备方法简单、安全，成本低。所制备的纳米材料具有优异的电催化分解水析氧性能。合成过程中不需要复杂的仪器、操作简单，有利于大规模的工业应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：