[发明专利]一种镍基复合纳米颗粒及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种镍基复合纳米颗粒及其制备方法和应用，属于催化剂制备技术领域。本发明通过调控在Ni₃N纳米颗粒表面原位磷化与硫化形成S掺杂的Ni₃N与S掺杂Ni₂P纳米晶，实现了高催化活性与电化学稳定性材料制备的目的。本发明提供的负载Ni‑NPS复合纳米颗粒的电极在析氧反应中表现出很好的催化活性，从电化学测试结果可以看出负载Ni‑NPS复合纳米颗粒的电极在碱性条件下发生析氢反应时仅需260mV来驱动30mA cm^‑2的电流密度，低至46mV dec^‑1的塔菲尔斜率证实了其高的反应活性，同时大电流的100h持续电解证明了电极有很好的催化稳定性与可应用性。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种镍基复合纳米颗粒及其制备方法，以及在电催化氧析出反应中的应用。

背景技术

化石能源燃烧所引发的一系列环境问题正发展成为制约未来社会经济发展和人类生存的重大障碍，开发可持续的清洁可再生能源是人类生存与发展的必经之路。作为清洁能源非常重要的一部分，氢能，具有无可争议的优势，因此，发展低成本、高能效比的规模化制氢技术将具有非常重大的社会经济效益。电催化水分解技术是一种重要的制氢方法，该方法中所使用的催化剂将很大程度上决定反应效率，但是目前的催化剂主要基于贵金属衍生材料，其活性很高，但因贵金属储量稀少，成本高昂，迫切需要开发非贵金属基催化剂材料。目前此类材料由于较高的过电势，产生了较大的电能消耗和低的能源转换率，尤其是在阳极氧析出反应中，所以开发更高效的电催化剂是未来市场的必然要求。

镍基纳米材料是一类研究广泛的非贵金属催化剂材料，至今已发展出包括镍单质、合金、硫化物、氮磷化物等多种水分解催化剂。尽管材料性能好，却总存在很多稳定性差、工艺能耗高等不利因素，同时活性机制不明。例如，Yang等(J.Mater.Chem.A,2018,6,8233-8 237)报道了一种在NiS/NiS₂界面构筑非晶层的方法来提高镍硫化物催化性能，材料表现出较高的电流密度，但是500个CV循环之后，活性明显衰减；Sathish等(Catal.Sci.Technol., 2017,7,3591-3597)报道了一种纳米结构NiS₂，其析氧反应有较小的过电位，但是代表活性机制的塔菲尔斜率较大(105mV dec^-1)，本征活性受到限制；同时电化学过程中的表面重构所产生的催化效果长久以来受到忽视。中国专利(申请公布号CN108950597 A)提出了一种氮化镍/磷化镍复合纳米颗粒作为析氧反应催化剂，材料表现出较高的电催化性能，但仍不能满足高性能的要求，同时电化学过程中的表面重构所产生的催化效果也没有受到重视。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种镍基复合纳米颗粒及其制备方法和应用，通过调控在Ni₃N纳米颗粒表面原位磷化与硫化形成S掺杂的Ni₃N与S掺杂Ni₂P 纳米晶，实现了高催化活性与电化学稳定性材料制备的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种镍基复合纳米颗粒，其特征在于，所述复合纳米颗粒包括内部带孔洞的S掺杂Ni₃ N颗粒，以及附着于Ni₃N颗粒表面的S掺杂Ni₂P纳米晶，所述Ni₃N颗粒的直径为50～400nm，所述Ni₂P纳米晶的直径为5～15nm，孔洞的直径为20～200nm。

一种镍基复合纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在导电基底上制备Ni₃N纳米颗粒；

步骤2：将步骤1得到的负载有Ni₃N纳米颗粒的导电基底放入石英管加热中心，将5～2 0mg的磷源和0.5～2mg的硫源放入石英管上游区域，距离石英管加热中心10～15cm处；