[发明专利]一种过渡金属磷硫化物纳米纤维的制备方法、制得的产物及其应用

说明书

本发明公开一种过渡金属磷硫化物纳米纤维的制备方法，涉及材料科学与工程技术和化学技术领域，本发明以金属盐类和聚丙烯腈作为原料，经静电纺丝后得到纳米纤维前驱体，对其进行磷硫化处理后得到过渡金属磷硫化物纳米纤维。上述纳米纤维的直径约为200～400nm，且具有优异的柔韧性。本发明的有益效果在于：本发明提供的过渡金属磷硫化物纳米纤维具有高比表面积，高导电性，高柔韧性、高稳定性以及丰富的活性位点等优点，作为水分解催化剂具有显著的优势。

技术领域

本发明涉及材料科学与工程技术和化学技术领域，具体涉及一种过渡金属磷硫化物纳米纤维的制备方法、制得的产物及其应用。

背景技术

随着传统的能源体系亟待改变，可再生能源的开发迫在眉睫。氢气作为一种清洁、环保、可再生的新能源无疑是一种可替代能源，而电解水则因其较高的效率、操作简单、无污染被视作最有效地制氢技术。作为电解水的半反应，OER技术的效率直接影响着电解水的性能，传统的贵金属氧化物催化剂如IrO₂和RuO₂是目前最高效的 OER催化剂，然而此类材料的稀缺性和昂贵性严重阻碍了OER的进一步发展，无法满足氢气的大规模生产需求。开发具有低成本，高转换效率，电化学稳定性好且抗腐蚀性强等优点的新型OER催化剂是当下的研究重点。近年来，三元过渡金属磷硫化物MPS_x(M＝Fe、Co、Ni、Cu等；x＝1或3) 在电催化中表现出较好的稳定性和催化活性，展现出取代贵金属催化剂的潜力。Ma等人以ZIF-67和炭黑为前驱体，合成了多孔碳包覆的超细CoPS 纳米颗粒，在OER反应中展现出高催化活性和长稳定性(Ma,J.et al.J.Mater. Chem.A,2018,6,10433)。Liu等人则通过水热法合成了二维CoPS纳米片，将其用作OER催化剂时，展现出了较低的塔菲尔斜率(50.2mV/dec)(Liu, P.etal.ChemElectroChem 2019,6,2852–2859)。Schuhmann利用液相剥离制备的NiPS₃纳米片则具有较低的过电势(Schuhman,W.et al.ACS Catal.2017, 7,229-237)。然而目前合成过渡金属磷硫化物的方法多为液相法，其产量有限，形貌也难以精确控制。目前报道的过渡金属磷硫化物多为纳米颗粒和纳米片，具有比表面积小和活性位点少的缺点，限制了材料的催化活性和稳定性。如公开号为CN112877712A的专利申请公开一种过渡金属磷硫化物及其制备方法和应用，但过渡金属磷硫化物的电化学活性仍有待于进一步提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术中过渡金属磷硫化物的电化学活性仍有待于进一步提升，提出并利用静电纺丝方法，获得过渡金属磷硫化物纳米纤维及其应用，过渡金属磷硫化物纳米纤维具有优异的催化活性和柔韧性。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种过渡金属磷硫化物纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属盐与导电高分子材料溶于有机溶剂中，制备出金属前驱体溶液；所述导电高分子材料为聚丙烯腈或聚乙烯吡咯烷酮；所述金属盐中的金属原子为过渡金属；

(2)通过静电纺丝法处理步骤(1)中得到的金属前驱体溶液，得到金属盐纳米纤维；

(3)将磷源和硫源在惰性气氛下煅烧，得到磷硫合金；

(4)将磷硫合金与步骤(2)中得到的纳米纤维在惰性气氛下煅烧，得到过渡金属磷硫化物纳米纤维。

有益效果：本发明利用静电纺丝法制备过渡金属磷硫化物纳米纤维，以现有制备纳米颗粒和纳米片的技术相比，本发明制备的纳米纤维尺寸和形貌易控，平均直径约为200～400nm，可大规模制备，适用于多种三元过渡金属磷硫化物。

本发明制备的过渡金属磷硫化物纳米纤维具有较大的比表面积，丰富的活性位点，良好的导电性能和结构稳定性。同时由于聚丙烯腈的使用，致使纳米纤维具有优异的柔韧性。其作为电催化剂使用时，具有优异的催化活性。