[发明专利]一种三维核壳结构CoS2/CoS2-NC催化电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维核壳结构CoS₂/CoS₂‑NC催化电极材料及其制备方法，该制备方法包括：1)将Co(OH)₂纳米片沉积于三维石墨烯电极表面，得到Co(OH)₂碳基材料；2)将步骤(1)得到的Co(OH)₂碳基材料与2‑甲基咪唑反应得到Co(OH)₂/ZIF‑67复合材料；3)将步骤(2)得到的复合材料与硫粉混合进行硫化反应，得到三维核壳结构CoS₂/CoS₂‑NC催化电极材料。将得到的三维核壳结构CoS₂/CoS₂‑NC催化电极材料作为阳极应用在碱性电解液中电催化水中，表现出了极高的OER催化活性和优异稳定性，具备工业规模化电催化水分解制备氧气的潜质。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术和电化学能源转化技术领域，具体涉及一种三维核壳结构CoS₂/CoS₂-NC催化电极材料的制备方法及其在电催化水裂解氧的应用。

背景技术

通过电催化水裂解技术制取氢能是目前解决环境污染以及能源危机问题的重要手段之一。当前全球氢能主要来自于石油热裂解，该过程能耗剧烈、污染严重，与之相比，电解水制氢技术具有清洁、环保、利用率高的特点，但水裂解阳极较高的过电势严重限制了其发展。

在动力学方面，阳极电催化水裂解析氧(OER)反应作为四电子转移过程，需要更大的电压用于克服其反应阻力，故而降低了电能的转化效率；其次，钌、铱等贵金属催化剂，尽管在电解水产氧方面具有较强的催化性能，但其稀缺性和高成本使其难以在工业上得到广泛使用。因此，寻找能够高效电催化水裂解阳极反应的廉价催化材料是实现工业规模电解水制氢的必经之路。

近来研究表明，过渡金属如铁、钴、镍等，更容易在催化过程中形成反应中间体，进而起到催化作用。目前，由过渡金属与相关有机配体组成的沸石咪唑酯骨架结构(ZIF)催化剂及其衍生物在电催化水裂解产氧方面展现出了较好的催化活性与稳定性，并且具有可挖掘的较大潜力。

公开号为CN109019783A的中国专利申请文献以及文献(J.Mater.Chem.A 2018,6,18877–18883)均公开了通过气相水热反应的方法在石墨表面电化学沉积的Co(OH)₂表面生长上一层超薄ZIF-67，得到的EG/Co(OH)₂/ZIF-67复合电催化材料作为阳材料，在碱性电解液中电催化OER反应时，催化OER反应在10mA cm^-2的电流密度下的过电势仅为280mV，塔菲尔斜率为63mV dec^-1。

上述制备方法得到的电催化材料的电催化活性虽然优于应用广泛的商业Ir/C电催化材料，但是由于其活性有限，还是限制了其进一步发展，因此，研发一种具有超高催化活性电解水的阳极催化剂，是实现工业化水裂解产氢必不可少的一步。

发明内容

本发明的目的在于通过硫化的方法对EG/Co(OH)₂/ZIF-67复合材料前驱体进行高温处理，得到了三维核壳结构CoS₂/CoS₂-NC催化电极材料，大大提高了电催化活性，将其作为阳极在碱性电解液中电催化裂解水的应用效果好。

一种三维核壳结构CoS₂/CoS₂-NC催化电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Co(OH)₂纳米片沉积于三维石墨烯电极(EG)表面，得到Co(OH)₂碳基材料；

(2)将步骤(1)得到的Co(OH)₂碳基材料与2-甲基咪唑反应得到Co(OH)₂/ZIF-67复合材料；