[发明专利]一种负载NiS/NiO异质结的氮掺杂碳纳米复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种负载NiS/NiO异质结的氮掺杂碳纳米复合材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：S1、制备Ni²⁺/PVP混合溶胶；S2、将所述Ni²⁺/PVP混合溶胶经过静电纺丝，得到固体碳纤维薄膜；S3、将所述固体碳纤维薄膜先在空气气氛中预氧化后，依次进行惰性气氛下热处理、空气氛围下氧化处理和硫化气相沉积，得到所述负载NiS/NiO异质结的氮掺杂碳纳米复合材料。本发明方法所选用的PVP廉价易得，与传统制备电解水析氧电催化剂材料的方法相比，该方法工艺简单易行、成本低廉、操作简单、可实现大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种负载NiS/NiO异质结的氮掺杂碳纳米复合材料及其制备方法和用途，属于碱性析氧反应催化剂技术领域。

背景技术

随着传统化石、煤炭等能源的快速消耗和日益凸显的环境污染问题，寻求绿色、可持续的新型能源迫在眉睫。氢能做为一类取代化石燃料的重要能源形式，因其零排放、超高的能量密度(143kJ·kg^-1)、环境友好、可持续利用等优点被视为一种有前景的可替代的能源载体。相对于传统的制氢方式，电解水制氢，由于绿色、高效、可大规模生产等优点，被认为是一种具有广泛应用前景的制氢方法。然而，电解水反应中阳极的电催化析氧反应设及较高的反应能垒和较大的过电势，这严重影响了整体电解水反应动力学速率。因此，开发高效的析氧电催化剂以降低反应活化能和能垒，提高反应动力学速率是具有重要意义的。目前，商业化析氧的高效催化剂是铱、钌基等贵金属类催化剂，但是由于其储量稀少，价格昂贵等缺陷严重的限制了其大规模实际应用。因此，开发新型廉价、高效的非贵金属析氧电催化剂显得尤为关键。

在各类非贵金属析氧电催化剂，过渡金属Ni基材料，其合金及其化合物材料，如碳化物，磷化物，硫化物，氮化物等，由于其丰富的储量，较多的氧化还原位点、良好的抗腐蚀性等优势，得到大量的研究。其中，NiO在目前的研究中，因其丰富的氧空位、特殊的3d电子类型、特殊的eg轨道和与含氧物种较好的结合能，而显示出较好的析氧活性。同时NiS因其特殊的3d构型和高的导电性在电解水领域得到一定的应用(Adv.Mater.2017,29,1701584；ACS Nano 2017,11,11574-11583)。尽管这类研究已经取得一定的进展，但是NiO催化剂的析氧性能仍难以满足工业化生产的严格要求。研究结果显示，将NiS与NiO复合形成异质结材料，可有效调节其表面电子结构，提高其导电性和促进电荷的快速转移，从而提高其本征活性；同时，动力学上与一维纳米碳材料进行复合是一种可行的策略，一维多级纳米碳材料可以有效的提升催化剂的导电性，提供较大的比表面积，暴露更多的催化位点，增强活性物种的稳定性。同时，将杂原子(如:N,P,S等)掺杂进碳基质中可通过调节附近的碳原子的电子结构，有效的提升析氧性能。因此，将上述这些协同优势综合起来，合成杂原子掺杂的一维多级碳基质负载的NiS/NiO异质结是一种明智的策略。然而，通常这类材料的制备过程往往耗时持久、制备过程繁琐、产量较少。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种负载NiS/NiO异质结的氮掺杂碳纳米复合材料及其制备方法和应用。本发明方法简易通用，成本低廉，而且制得的负载NiS/NiO异质结的氮掺杂碳纳米复合材料作为析氧电催化剂材料表现出优异的活性和稳定性。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

一种负载NiS/NiO异质结的氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、制备Ni²⁺/PVP混合溶胶；

S2、将所述Ni²⁺/PVP混合溶胶经过静电纺丝，得到固体碳纤维薄膜；

S3、将所述固体碳纤维薄膜先在空气气氛中预氧化后，依次进行惰性气氛下热处理、空气气氛下氧化处理和硫化气相沉积，得到所述负载NiS/NiO异质结的氮掺杂碳纳米复合材料。