[发明专利]一种富含硫空位的Ni3

说明书

本发明公开了一种富含硫空位的Ni₃S₂纳米棒析氧电催化材料及其制备方法与应用，属于电解水催化领域。本发明的制备方法分三步：首先镍片的阳极氧化处理制备前驱体膜层；随后对前驱体膜层进行退火处理，得到富含氧空位的NiO膜层；最后再对退火后的膜层进行水热硫化处理，获得富含硫空位的Ni₃S₂纳米棒析氧电催化材料。由于硫空位的存在，降低了中间体在催化剂表面吸附或脱附所需克服的能垒，大大提高了析氧催化性能。富含硫空位的Ni₃S₂纳米棒原位生长在镍基体上，降低了催化剂与基体间的电阻，同时也提高了析氧催化稳定性。本发明方法操作简单，对制备设备要求低，对环境友好，制备方法具有可推广性，有助于进一步推动过渡金属硫化物催化剂的发展和应用。

技术领域

本发明涉及到电催化和电解水领域，具体涉及一种富含硫空位的Ni₃S₂纳米棒析氧电催化材料及制备方法与其应用。

背景技术

化石燃料的不断消耗及带来的环境污染问题迫使人们急需寻找一种可替代的新能源。氢能由于其来源广泛，热值高、产物无污染等优点有望成为取代传统化石燃料的新能源。而制氢方法中电解水制氢由于其工艺简单、操作方便、制得的氢气纯度高等优点被认为是目前最有前景的制氢方法之一。为了大规模实现电解水制氢，开发价格低廉、制氢效率高的电催化剂显得尤为重要。一般来说，一些贵金属（Pt、IrO₂、RuO₂）作为电催化剂表现出良好的催化性能，但由于其本身稀缺性、成本高昂、在电解液中会溶解和腐蚀等缺点使其难以大规模推广。

基于此，过渡金属硫化物由于具有丰富的物相结构、良好的析氧稳定性及低的成本等优点，被认为是代替贵金属及氧化物（RuO₂、IrO₂）析氧催化剂的可行方案。其中Ni₃S₂具有高的导电性、低的成本、优良的催化活性等优点，使之成为析氧催化剂研究的热门首选。为进一步提高Ni₃S₂析氧催化性能，可以通过改变膜层的电子结构来提高其本征催化活性。电子结构调控的方法主要有掺杂工程、空位工程和应力工程等，其中，空位工程是最常用的一种方法。一般来说，空位可作为析氧催化活性位点，在一定范围内，空位浓度越高，析氧催化活性则越好。

目前对于硫空位的调控，主要应用在二维材料（如MoS₂、WS₂等）的硫空位调控上，而对于Ni₃S₂的硫空位调控鲜有报道。本发明提出一种通过调控前驱体膜层中氧空位来实现调控Ni₃S₂中硫空位浓度的方法。首先通过对前驱体膜层进行不同工艺的退火，调控其氧空位的浓度，随后通过硫化处理将经退火处理后的膜层转变为Ni₃S₂，在硫化过程中，前驱体中的氧空位在Ni₃S₂中以硫空位的形式保留下来，从而提高其析氧催化性能。硫化过程中改变硫化的参数就可改变膜层的形貌，也可以影响最终样品的析氧催化性能。

本发明的核心思想是将退火调控膜层硫空位浓度的工艺和硫化改变膜层的形貌的工艺结合起来，同时实现Ni₃S₂中硫空位的调控和膜层形貌的调节，从而进一步提高Ni₃S₂的析氧催化性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供了一种富含硫空位的Ni₃S₂纳米棒析氧电催化材料及制备方法与其应用。本发明制备条件要求低，制备工艺简单易行、原材料来源丰富且成本低廉、对环境友好，制得的电极材料中富含硫空位且可控，具有优良的催化活性及稳定性，充分发挥了电子结构调控和形貌调节的优势，为电解水析氧催化剂的设计与性能优化提供了新的思路和策略。