[发明专利]一种自支撑碳布负载硒化钴镍纳米线制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种自支撑碳布负载硒化钴镍纳米线制备方法与应用；以导电碳布为基底材料，将钴镍双金属盐与亲水碳布通过低温水热反应，得到在碳布均匀生长的钴镍纳米线，经过进一步高温硒化得到在碳布上均匀负载的硒化钴镍纳米线，并将其作为自支撑电极材料催化电解水反应。本发明合成的双金属纳米催化材料不仅价格低廉，制备工艺简单，具有特殊的纳米线结构，还可高效催化电解水析氢和析氧反应，电极制备无需使用粘结剂，且具有良好的耐久性，为非贵金属基双功能电催化剂的制备提供了新的思路。

技术领域

本发明涉及催化和储能领域，尤其涉及一种自支撑碳布负载硒化钴镍纳米线制备方法与应用。

背景技术

化石能源的过度使用引起能源枯竭和环境污染等问题，绿色清洁能源的发展不仅可以缓解传统能源系统的压力，而且也有利于环境和生态的保护。氢能由于具有高的燃烧值、易于储存和运输、燃烧后不会产生污染的气体，被认为是一种理想的替代传统化石燃料的“绿色”载体。目前，全球生产氢气的方式主要有化石燃料制氢、光催化制氢、生物制氢和电化学制氢。相比于前面几种制氢方式，用电解水产氢的原料广泛，操作简单，具有绿色、无污染、可持续等特点。电化学水解常伴随着氢气和氧气的同时产生，而产氧是四电子转移过程，与两电子的产氢反应相比更难实现，如果能开发出可同时作为阴极和阳极材料的电催化剂用于电解水产氢和产氧，将大大降低生产成本并提高能源利用效率。目前贵金属基催化剂如Pt和Pd在HER以及IrO₂和RuO₂在OER上均具有代表性的优异电催化活性，但低稳定性、高昂的价格和有限的储量限制了其在工业中的大量使用。为了克服这些问题，非贵金属电催化剂如过渡金属硒化物、磷化物、硫化物、碳化物以及过渡金属合金被广泛研究用于HER反应，而过渡金属氧化物和氢氧化物适用于OER反应上的研究也被大量报道。一般来说，具有高效产氢性能的催化剂往往在产氧方面有所欠缺，反之亦然，因此，开发高活性和高稳定性的双功能催化剂用于电解水产氢和产氧仍然存在挑战。

过渡元素如Co、Ni、Mo等由于价格低廉和储量丰富，被广泛应用于电催化领域。研究人员已开发出过渡金属(Co,Ni,Mo等)碳化物、硫化物、硒化物、磷化物以及它们的合金或者复合物用于多功能的电催化剂。然而由于较小的比表面积和低导电性，大部分催化剂表现出了有限的双功能电催化活性。设计纳米结构的电催化剂有利于电解质的有效扩散，同时也能提供足够大的比表面积。杂原子(N、P、S)的掺杂可以调节与杂原子相邻的碳原子的电子密度，使催化剂活性位点增加，且有利于增强其亲水性和对离子的吸附能力，加快析氢和析氧反应的动力学过程。此外，电极的导电性也是影响催化性能的关键因素，因此可以通过直接在导电基底材料如碳布(CC)上生长纳米材料来制备柔性电极材料，不需要添加粘结剂和导电炭黑来进行活性物质的涂覆操作，避免了电极制作过程中催化剂性能降低问题，简化了实验操作流程，同时也降低了制作成本，且具有导电性好、催化剂负载量高和电化学活性面积大等特性，对于提高催化剂电化学性能至关重要。

基于以上的分析，本发明选用导电性好、结构稳定、具有三维结构的碳布作为碳基底材料，借助简单的过渡双金属离子水热处理和高温硒化，制备得到自支撑硒化过渡双金属纳米线材料(SeCoNi NWs/CC)。自支撑硒化过渡双金属纳米线材料表现出优异的电解水析氢和析氧性能，且稳定性好，为过渡金属材料同时用于催化电解水析氢和析氧反应提供了一条崭新的途径。

发明内容

本发明针对目前电解水过程中贵金属催化剂成本高，稳定性差，且极少催化剂可同时用于电解水析氢和析氧上面临的挑战，提供一种自支撑碳布负载硒化钴镍纳米线制备方法与应用，用于双功能催化电解水。并在预处理的碳布上水热生长过渡双金属纳米线，随后高温硒化处理制备了一种碳布负载的硒化钴镍纳米线。本发明所合成催化剂的方法简单、价格低廉，可作为自支撑电催化材料高效催化电解水析氢和析氧反应，且均具有良好的稳定性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种自支撑碳布负载硒化钴镍纳米线制备方法，包括如下步骤：