[发明专利]一种硫磷共掺原位生长石墨烯包覆的镍钴铁析氢催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硫磷共掺原位生长石墨烯包覆的镍钴铁析氢催化剂，由磷硫化物形式的Ni、Co、Fe和S、P组成，并负载在碳纸上，其通式为(Ni_xCo_yFe_z)S_vP_u@CP，式中0≤x/y≤10、0≤x/z≤10、0≤v≤10、0≤u≤10。此外，还公开了上述硫磷共掺原位生长石墨烯包覆的镍钴铁析氢催化剂的制备方法。本发明集成的(Ni_xCo_yFe_z)S_vP_u@CP催化剂电极呈现出非常突出的HER活性，具有更高的催化活性、更高的氢产率和更稳定的性能，可广泛应用于各种析氢电解水催化，具有节能环保和低成本的优势。

技术领域

本发明涉及催化材料技术领域，尤其涉及一种三金属催化剂及其制备方法。

背景技术

随着人们对能源危机和环境污染的日益关注，探索可持续能源取代化石燃料成为全球科学家共同努力的目标。氢气由于其碳的零排放，和高的重量能量密度，被认为是最有潜力的替代者。使用电催化剂促进析氢反应(HER)的电解水已经成为一种很有前途的产氢方法。在电解水中，贵金属例如Pt，由于在整个pH范围内都具有很高的HER活性和稳定性，因此通常用作电催化剂。但是，它们的高成本和稀缺性使得其不适合大规模工业化生产。因此，开发低成本不含贵金属的高性能HER催化剂已经获得广泛关注。

各种丰富的稀土催化剂，包括过渡金属化合物如硫化物、磷化物、氢氧化物、碳化物等，都被用于作为HER的催化剂。在这些材料中，过渡金属硫化物和磷化物相对于其他材料具有一些优势，可以促进电催化的电荷转移。例如纳米海胆结构的CoP、片状的Ni₃S₂、以及纳米NiCoP，都具有良好的HER活性。然而，仍然需要改进它们的催化性能、氢气的产率、过电势和稳定性，以便与贵金属竞争。此外，这些电催化剂仅仅在酸性或者碱性电解质中起作用，这限制了它们在对电解质pH值有不同要求的电解水技术中的应用。

目前，虽然对于过渡金属单金属和双金属催化剂的报道较多，但是尚未见到关于硫磷共掺原位生长石墨烯包覆的镍钴铁析氢催化剂的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种硫磷共掺原位生长石墨烯包覆的镍钴铁析氢催化剂，以获得高催化活性、性能稳定的电解水催化材料。本发明的另一目的在于提供上述硫磷共掺原位生长石墨烯包覆的镍钴铁析氢催化剂的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种硫磷共掺原位生长石墨烯包覆的镍钴铁析氢催化剂，由磷硫化物形式的Ni、Co、Fe和S、P组成，并负载在碳纸上，其通式为(Ni_xCo_yFe_z)S_vP_u@CP，式中0≤x/y≤10、0≤x/z≤10、0≤v≤10、0≤u≤10。

本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的上述硫磷共掺原位生长石墨烯包覆的镍钴铁析氢催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照比例六水合硝酸镍∶六水合硝酸钴∶九水合硝酸铁(Ⅲ)∶尿素∶醋酸铵∶超纯水＝1～10mmol∶1～8mmol∶1～15mmol∶1～12mmol∶0.5～5mmol∶50～550ml，进行混合并搅拌均匀，形成混合溶液；

(2)碳纸首先放入浓度为1～3mol·L^-1的醋酸或盐酸溶液超声处理30～120min；然后依次使用双氧水和去离子水超声清洗后，放入70℃烘箱中干燥0.5～1h，得到处理后的碳纸；