[发明专利]铝掺杂三维纳米多孔金属硫化物析氢电极制备及使用方法

说明书

本发明涉及电催化制氢技术领域。一种铝掺杂三维纳米多孔镍硫化物析氢电极的制备方法，将钴、镍、铁中的一种或者几种与铝一起加热至熔融态，冷却成棒状合金锭，将合金锭切割成厚度相同的合金片；将合金片在碱性腐蚀溶液中进行脱合金化处理；置于管式退火炉中，硫磺粉置于试样上游，通过保护气体的气流驱动，使得硫蒸汽与多孔金属片在高温下接触并发生反应。本发明还涉及该电极的使用方法，本发明制备得到的电极比表面积显著增大，在酸性环境中的析氢活性高，物理化学稳定性佳，可直接用作自支撑电极进行电催化制氢，适用于大规模生产。

技术领域

本发明涉及电催化制氢技术领域，具体为一种铝掺杂三维纳米多孔金属硫化物析氢电极的制备方法。

背景技术

当今，雾霾、全球变暖、汽车尾气排放等问题正在逐步威胁着人类的生存，同时煤、石油、天然气等化石燃料也在日益枯竭，氢能源作为一种无污染的可再生能源，具有来源广、热值高、稳定性好、清洁等优点，它将成为化石燃料的理想替代品。氢气的制备方法多种多样，例如化石燃料制氢、生物制氢、光催化分解水制氢和电解水制氢等，其中电解水制氢简单、高效、环保，制得的氢气纯度高，因此是未来大规模制氢的重要途径。Pt等贵金属虽然具有低析氢过电位，但其价格昂贵，资源有限，极大地限制了它们的大规模应用。

目前，科研者们普遍采用商业泡沫镍或泡沫铜作为研究对象，通过表面改性工艺对其进行表层成分调控。但多组元修饰层并未与泡沫镍或泡沫铜基体原位构筑为合金，导致活性层与导电基体间的结合力变弱，在产氢过程中容易脱落或溶解，降低了其在析氢反应中的稳定性和耐久性。同时，目前所能直接利用的商用泡沫金属种类有限，且孔径、形态和成分单一，其孔径尺寸多为数百微米甚至毫米以上。多孔材料晶体形貌和孔道形态与反应扩散行为以及催化活性密切相关，对多孔催化材料的孔道形态、形貌及成分进行调控和微观尺度的设计，将从本征能量（活性）因素和几何（构型）因素两方面优化多孔析氢电极的效率，降低其能耗。因此，如何制备具有成分可设计、孔径（特别是处于亚微米和纳米尺度）可调控的高催化活性和良好稳定性的非贵金属、多级孔状、一体式自支撑电解水析氢催化材料是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何解决克服背景技术中的问题，提供一种铝掺杂三维纳米多孔金属硫化物析氢电极的制备方法。

本发明所采用的技术方案是：一种铝掺杂三维纳米多孔金属硫化物析氢电极的制备方法，按照如下步骤进行

步骤一、采用高频感应熔炼炉将钴、镍、铁中的一种或者几种与铝一起加热至熔融态，用惰性气体将熔融态的合金液吹到石墨坩埚中，惰性气体保护下冷却成棒状合金锭，将合金锭切割成厚度相同的合金片，并对合金片表面打磨、抛光；

步骤二、将步骤一获得的合金片在碱性腐蚀溶液中进行脱合金化处理，然后用超纯水多次冲洗后晾干，得到纳米多孔金属片；

步骤三、将纳米多孔金属片置于管式退火炉中，硫磺粉置于试样上游，将管式退火炉以升温速率为1~10℃/min升至400~600℃，保温0.5~12h，并通过保护气体的气流驱动，使得硫蒸汽与多孔金属片在高温下接触并发生反应，然后以降温速率为1~5℃/min降至室温，制得铝掺杂三维纳米多孔金属硫化物析氢电极。

作为一种优选方式：步骤一中合金片中铝的原子百分含量为60%~90%，如果合金片中元素组成为铝、钴、镍时，钴与镍的原子比为1:1~10:1，如果合金片中元素组成为铝、钴、铁时，钴与铁的原子比为5:1~10:1，如果合金片中元素组成为铝、镍、铁时，镍与铁的原子比为10:1~50:1，如果合金片中元素组成为铝、钴、镍、铁时，钴、镍、铁的原子比为10:4:1~10:10:2。

作为一种优选方式：步骤一中合金片为直径5~30mm、厚度1~3mm的圆片。

作为一种优选方式：步骤二中所述碱性腐蚀溶液为氢氧化钠和氢氧化钾中的一种，摩尔浓度为1~10mol/L。