[发明专利]一种钾钼硫/氮化镍复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钾钼硫/氮化镍复合材料及其制备方法和应用，所述钾钼硫/氮化镍复合材料包括钾钼硫KMoS₂和氮化镍Ni₃N，且部分钾钼硫和氮化镍之间具有硫镍化学键。

技术领域

本发明涉及一种析氧反应和析氢反应的催化剂材料，具体地涉及一种钾钼硫/氮化镍复合材料及其制备方法和应用，属于材料学领域。

背景技术

21世纪以来，随着经济全球化发展，能源的消耗日渐增加，化石燃料的日益短缺以及环境污染越来越严重等问题，使得人们更加关注对新能源材料的研究。因此，促使研究人员迫切需要找到一种丰富、持久、零排放、生态友好的可再生能源作为替代能源，从而大幅度减少对化石燃料的依赖。全解水是一种环保能源的转换技术，因其能源转换效率高、环境污染小、应用前景广阔而受到广泛关注。全解水分为两个半反应，一个是析氢反应(HER)，一个是析氧反应(OER)，其主要目的是产生纯氢气(H₂)和氧气(O₂)，在实践中，全解水需要有效的催化剂来促进这两种反应。目前，铂(Pt)基催化剂是HER最有效的催化剂，而铱(Ir)和钌(Ru)基催化剂是OER的高效催化剂。但由于Pt、Ir和Ru等贵金属其价格高昂、储量稀缺以及耐久性差阻碍了其进一步的应用。近年来，研究人员制备了许多低成本的HER电催化剂，能够高效加速HER反应的进行。但OER是一个要求很高的步骤，包括四电子反应和氧-氧键的形成，因此OER的反应动力学本质上较HER更加缓慢。因此需要研究高效的非贵金属电催化剂来降低OER过电势(η)，来提高全解水的能量转换效率。目前传统催化剂RuO₂和IrO₂通常用于OER电催化，但由于稳定性较差，并且其存在贵金属Ru和Ir导致价格高昂阻碍了其进一步的应用。因此，非贵金属材料成为了更好的替代品。

钾钼硫(KMoS₂)具有较高的电子转移速率，引起了人们的极大兴趣。然而，KMoS₂催化活性不高阻碍了其在实际应用中的推广。近年来，作为过渡金属氮化物的代表，氮化镍(Ni₃N)不仅具有稳定的结构，而且与表面的羟基自由基(OH)具有不错的结合强度，是析氧反应和析氢反应潜在的催化剂。因此单一材料或多或少存在着电子转移率低、活性位点不足、材料不稳定或羟基基团不足等劣势，其催化性能有限。

发明内容

为了解决现有技术中析氧反应和析氢反应催化剂的催化活性不高、价格昂贵的技术问题，本发明提供一种钾钼硫/氮化镍复合材料及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种钾钼硫/氮化镍复合材料，所述钾钼硫/氮化镍复合材料包括钾钼硫KMoS₂和氮化镍Ni₃N，且部分钾钼硫和氮化镍之间形成硫镍化学键。

在本公开中，钾钼硫/氮化镍复合材料中结合了钾钼硫的高导电性以及氮化镍的稳定性，且部分钾钼硫中S和氮化镍中Ni之间形成硫镍化学键，进而形成钾钼硫/氮化镍异质结，可以进一步调控电子结构，提高其稳定性，从而提高电催化剂性能。

较佳的，所述钾钼硫/氮化镍复合材料具有层状结构，其中氮化镍复合在层状的钾钼硫KMoS₂上，利于形成硫镍化学键，加快电子传递速率，提高析氧反应和析氢反应性能。

较佳的，所述钾钼硫和氮化镍材料的质量比为1：0.5～2.5。

另一方面，本发明还提供了一种上述钾钼硫/氮化镍复合材料的制备方法，将钾钼硫和氮化镍分散于装有去离子水或碱性溶液的反应釜中，在60～170℃下水热反应，制备得到所述钾钼硫/氮化镍复合材料。