[发明专利]一种用于稳定电解水制氢的氮掺杂的镍钼基复合硫化物及制备方法

说明书

本发明涉及一种用于高效和稳定电解水制氢的氮掺杂镍钼基复合硫化物及其制备方法。该材料为自支撑的微米棒阵列结构，其中微米棒的表面由大量交叠的超薄纳米片组成，且N原子成功地掺杂到了镍钼基复合硫化物的晶格中，改变了材料的电子密度。该催化剂作为电解水制氢的工作电极，表现出了优异的催化活性和稳定性。此外，该催化剂拥有超优异的稳定性能，能够稳定工作1000个小时仍然保持性能不衰减，展现出广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及电解水催化剂制备技术领域，具体涉及一种用于高效和稳定电解水制氢的氮掺杂镍钼基复合硫化物及其制备方法。

背景技术

氢气因其高能量密度和对环境无污染而被认为是解决能源危机和环境问题最有前途的清洁能源之一。电解水是实现制备高纯氢气的有效、经济的途径。为了提高电解水制氢的效率，需要开发高效稳定的电催化剂来降低析氢反应的过电位。目前，最好的分解水制氢电催化剂是铂基催化剂，但是由于该材料在地球上的储量很少导致了其较高的成本，同时较差的稳定性也是限制其大规模应用的原因之一。因此，开发具有与铂基催化剂制氢效果相媲美的非贵金属催化剂成为国际上研究的热点。

过渡金属硫化物，因其理想的原子结构和二维层状晶体结构，表现出了良好的电催化制氢活性。最近，双金属硫化物，不仅结合了每个金属硫化物优异的催化活性，而且它们之间的协同效应也有利于催化性能的提升，有望成为替代贵金属的高效电催化剂。镍钼基硫化物拥有丰富的活性位点，而且兼备镍基硫化物和钼基硫化物的电化学性质，被人们广泛研究。例如，Yaqing Yang等人(ACS Catal.2017,7,2357-2366)制备了MoS₂-Ni₃S₂异质结构纳米棒用于电解水制氢。但是，目前所报道的镍钼基硫化物电解水制氢的效率仍然远低于铂基材料，而且这些催化剂的稳定性也并不能满足工业要求。

另外，近年来一些研究表明，掺杂异质原子到电催化剂中有利于提高其电解水制氢的活性。在催化剂中引入具有较强电负性的非金属杂原子，有利于调节催化剂的电子密度和d带中心(Nat.Commun.2018，9:1425)，从而优化水的吸附解离和氢的吸附/脱附行为(ACS Catal.2019，9:3744-3752)，这有利于促进电解水制氢的反应，提高析氢性能。因此，如果能够将一些电负性较强的原子引入到镍钼基复合硫化物的晶格中，调节其电子密度和d带中心，将会大幅提高电解水制氢的效率，为镍钼基复合硫化物的实际应用带来光明前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高效和稳定电解水制氢的非贵金属电催剂，具体为氮掺杂镍钼基复合硫化物材料及其制备方法。

一种氮掺杂镍钼基复合硫化物材料，该材料由MoS₂，NiS和NiS₂物相组成，掺杂有氮，为自支撑的微米棒阵列，其中微米棒表面由大量交叠的超薄纳米片组成，纳米片的厚度为 5～15nm。

按上述方案，所述的氮掺杂镍钼基复合硫化物，氮掺杂在MoS₂，NiS和NiS₂的晶格中，各个物相之间形成丰富的界面。

按上述方案，微米棒的直径为1.0～1.5μm。

按上述方案，所述的氮掺杂镍钼基复合硫化物的氮含量为0.82％～6.9％。

按上述方案，所述的氮掺杂镍钼基复合硫化物生长在泡沫镍基底上。

上述氮掺杂镍钼基复合硫化物材料的制备方法为：将生长在商用泡沫镍上的镍钼前驱物微米棒阵列放在尿素溶液中浸泡，然后干燥；接着以硫粉作为硫源，在惰性氛围下进行硫化反应，制备得到氮掺杂镍钼基复合硫化物。

按上述方案，所述尿素溶液的浓度是0.2～1.0mol/L。

按上述方案，所述的镍钼前驱物微米棒阵列在尿素溶液中浸泡的时间为2～12h。