[发明专利]一种Co-N高活性物种修饰的硫化钒产氢电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种Co‑N高活性物种修饰的硫化钒产氢电催化剂及其制备方法和应用，以钴掺杂的钒氧化物为前驱体，将其与氮源和硫源混合均匀后进行热处理，制得的Co‑N物种修饰的硫化钒材料具有高效的HER催化活性；本发明可以有效提高非贵金属催化活性，而且合成原料廉价，合成方法简单，生产成本低，可控性高，便于商业化大规模生产。

技术领域

本发明属于电催化剂制备领域，具体涉及一种Co-N高活性物种修饰的硫化钒产氢电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

由于科技的进步，人口的激增，地球蕴藏的有限的化石能源被大量消耗，环境污染急剧恶化，因此开发可再生清洁能源迫在眉睫。氢能作为一种新型清洁能源，其来源广泛，热值高，燃烧无污染，因此成为近年来可再生清洁能源的研究热点。电解水制氢是目前研究最为广泛的制氢方法，但仍存在催化剂价格昂贵、电极极化等问题。过渡金属催化剂因其来源丰富，价格低廉，催化性能潜力巨大，成为近年来HER催化剂研究的热点。

近年来，由地壳丰度元素和优异的催化性能组成的多种非贵金属HER材料。相继报道了许多过渡金属化合物电催化剂，例如氮化物，磷化物，硼化物和碳化物。过渡金属具有不成对的d电子和许多未占据的d轨道，它们可以与吸附的氢原子形成金属-氢键，具有良好的催化活性，显示出替代铂的潜力。钒基化合物，一种过渡金属基化合物材料，在地球上的储量较高，有很大的潜力可以作为析氢电催化剂。到目前为止，可用于析氢反应的钒基化合物电催化剂主要包括四种：VS₂，V₂O₃，VC和VN。在钒-硫系统中，单层结构VS₂有出色的HER活性，其活性来源于VS₂的边缘结构。VS₄在锂电池能量存储和光催化方面也具有巨大的应用潜力。此外，V₃S₄也逐渐被人研究，刘启兴等报道锚固在多孔石墨烯凝胶上的V₃S₄纳米颗粒有优异的锂电池能量存储能力；周旭等成功地合成了一种花状纳米结构的V₃S₄生长在三维石墨烯气凝胶上新型氧还原催化剂。研究表明V₃S₄有着高导电性和一定的电化学性能。近年来，Co-N-C材料由于其优异的HER/OER/ORR催化性能而吸引了人们的目光，而这主要是由于Co-Nx活性物种在增强电催化活性方面起着至关重要的作用。

发明内容

本发明目的在于提出一种制备过程简单、价格低廉的Co-N高活性物种修饰的硫化钒产氢电催化剂及其制备方法和应用，制备的Co-N物种修饰的硫化钒材料具有高效的HER催化活性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种Co-N高活性物种修饰的硫化钒产氢电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：按摩尔比2：(0.5～2.5)：4取五氧化二钒、钴源和草酸溶于去离子水中，将溶液置于反应釜中在180℃下保温24h得到在180℃下保温24h得到钴掺杂的钒氧化物前驱体(Co-VO_x)，将产物洗涤干净，收集并进行真空干燥；

步骤二：按摩尔比1：(1～6)：15取钴掺杂的钒氧化物前驱体(Co-VO_x)、氮源和硫源进行研磨得到混合物，将混合物放入管式气氛炉内，在惰性气氛下以10℃/min升温至600-800℃煅烧3h，煅烧结束将得到的粉体进行冷却、洗涤干燥、收集得到黑色粉体，即得到Co-N高活性物种修饰的硫化钒产氢电催化剂。

进一步，所述步骤一的反应釜中填充比为80％。

进一步，所述钴源为六水合硝酸钴、六水合氯化钴或者醋酸钴。

进一步，所述氮源为尿素或者聚苯胺。

进一步，所述硫源为硫代乙酰胺。