[发明专利]一种过渡金属硫化物Cux

说明书

本发明属于电解水与新能源技术领域，涉及电解水催化剂的制备，具体涉及一种过渡金属硫化物Cusubgt;x/subgt;S/Cosubgt;9/subgt;Ssubgt;8/subgt;异质结电解水催化剂及其制备方法和应用。制备步骤如下：（1）将铜源、钴源和硫源分散在混合溶剂中搅拌，得混合溶液；（2）将步骤（1）所得的混合溶液超声后在高压反应釜反应，降温后离心、洗涤、干燥，得初始催化剂粉末；（3）将步骤（2）所得的初始催化剂粉末在混合气体中反应，得过渡金属硫化物Cusubgt;x/subgt;S/Cosubgt;9/subgt;Ssubgt;8/subgt;异质结电解水催化剂。本发明通过调控微观缺陷浓度提高催化活性，制备过程简单、产量高、成本低、催化性能优异。在析氢析氧反应中具有较低过电位，在稳定性测试中能保持100h，表现出优良的电化学稳定性。

技术领域

本发明属于电解水与新能源技术领域，涉及电解水催化剂的制备，具体涉及一种过渡金属硫化物Cu_xS/Co₉S₈异质结电解水催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

随着煤、石油、天然气等化石燃料的大量使用，导致环境严重污染、生态平衡受到破坏，而且化石燃料储量有限、难以再生。因此，大力发展可再生的清洁能源逐渐成为研究重点。其中，氢能具有制备简单，资源丰富，燃烧产物无污染，热效率高等优势，有着非常广阔的发展前景，但是如何快速制氢，提高产氢效率，增强氢能实用性是目前研究所面临的主要难题。

相对于传统的水煤气法制氢、太阳能制氢、工业副产物制氢和生物质制氢法，电解水制氢法不使用化石燃料、产品纯度高、操作灵活、生产能力可调性大，成为目前最具潜力的制氢技术。但是受电解环境的影响，电解水电位往往高于1.23V，因此实际应用时常常使用催化剂来降低反应能垒，提高产氢效率。研究发现，贵金属基Pt/C催化剂具有优良的析氢催化性能，RuO₂和IrO₂具有较好的析氧催化性能，但是由于贵金属催化剂成本高和储量低，大大增加了工业化应用的成本，因此，迫切需要寻求一种储量丰富、高效、低廉的电解水催化剂。

研究发现，过渡金属硫化物由于其价格低廉、资源丰富而备受关注。通过调控硫化物表面的电子结构，暴露更多的活性位点，将催化剂表面纳米化可以大大提高材料的催化性能。

如授权号CN108325540B的中国专利文献公开了一种二硫化钨/二硫化铌异质结纳米片，其生长于基底表面，从基底向上的第一层为单层的二硫化钨层，二硫化钨层上方至少部分覆盖有二硫化铌层，二硫化铌层的厚度为4-6nm。提出的NbS₂/WS₂异质结具有化学性稳定、结晶性好和高电化学活性等优点。尽管该发明提高了电催化析氢性能，但是其电解液为0.5M H₂SO₄溶液，在酸性条件下对设备、电极以及催化剂腐蚀性大，不利于工业化生产。

类似地，公开号CN113060770A的中国专利公开了一种异质结CoO/CoS多孔纳米棒的制备方法及应用，以钴盐为金属源，L-瓜氨酸作为配位剂，水热反应合成钴-瓜氨酸纳米棒；后将纳米棒进行煅烧氧化、最后通过气相沉积法硫化得到了疏松多孔，表面粗糙的异质结CoO/CoS多孔纳米棒。该催化剂催化电解水析氧性能一般，而且在析氢性能上未进行研究。

又如公开号CN112156794A的中国专利公开了一种多壁碳纳米管@过渡金属硫化物@二硫化钼三维异质结构的制备方法及其应用。此材料制备方法包括：（1）通过微乳液法制得金属甲酸框架化合物；（2）在金属甲酸框架化合物的溶液中引入羧基化多壁碳纳米管和硫代乙酰胺，通过溶剂热法、再经过煅烧制得多壁碳纳米管@过渡金属硫化物的复合材料；（3）在多壁碳纳米管@过渡金属硫化物的溶液中引入钼源和硫源，通过水热法、再经过煅烧获得多壁碳纳米管@过渡金属硫化物@二硫化钼三维异质结构。虽然通过多壁碳纳米管构筑硫化物异质结在一定程度上提高了催化性能，但是制备工艺繁琐，而且强酸性析氢条件下，会在一定程度上对催化剂以及设备造成损害，增加应用成本。

发明内容