一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法技术

本发明专利技术属于析氧催化剂技术领域，具体涉及一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法，本发明专利技术利用硫化镍在电催化OER中极佳的潜力，对其掺以适量的铁离子进而合理调控硫化镍的电子结构，从而制备得到一种具有成本低廉、高活性和稳定性的析氧电催化剂；同时，本发明专利技术制备方法简单，不仅可以降低析氧反应的过电位，而且有望替代传统的IrO

【技术实现步骤摘要】
一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法
本专利技术属于析氧催化剂
，具体涉及一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法。
技术介绍
析氧反应(oxygenevolutionreaction,OER)是在电场和电催化剂的作用下，将水氧化产生分子氧的过程，是实现高效能源转换与利用的关键环节。析氧反应(OER)涉及四个电子转移，金属—氧(M-O)键和氧—氧(O-O)键的断裂与形成等过程，导致期动力学非常缓慢。需经历四电子转移过程，并且会伴有较高的过电位。但是OER反应是作为几个重要反应的阴极反应，如水的电解，以及二氧化碳、氮气通过电化学还原将可回收的能量转换成化学燃料的反应。因此，亟需高效且稳定的OER催化剂来降低过高的反应过电位，并且加速反应动力学。虽然传统的IrO2和RuO2基催化剂反应活性高，但是长时间稳定性差，而且资源匮乏的贵金属和高昂的价格严重限制了它们的大规模应用。截至目前，已经开发了大量的非贵金属氧族化合物电催化剂来降低OER反应的过电位，在众多的非贵金属氧族化合物中，硫化镍具有成本低，易于合成，多价态变化以及在碱性溶液中高稳定性的特点，因此在电催化OER领域表现出极佳的潜力，因此在降低析氧电催化剂成本中具有重要意义和广阔的应用前景。然而，硫化镍具有导电性差以及催化活性不足等缺点，导致其应用受限。因此，针对传统的IrO2和RuO2基催化剂成本高、产量稀少、长时间稳定性差，以及硫化镍导电性差、催化活性不足等缺陷，有必要开发一种具有成本低廉、高活性和稳定性的电催化剂，以改善析氧反应的过电位。r>
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提出了一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法，通过往硫化镍中掺入适量的铁离子，制备得到一种成本低廉、高活性和稳定性的析氧电催化剂。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术提供了一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法，即往处理好的泡沫镍中加入有机溶剂，硝酸铁和硫脲，进行水热反应后经洗涤和干燥制备得到。优选地，所述有机溶剂为乙二醇。使用乙二醇作为有机溶剂，相对于其他常见的溶剂(水，N,N-二甲基甲酰胺等)，所制备得到的铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的性能要更好。本专利技术以硫脲为硫源，以硝酸铁、泡沫镍为金属源，使用水热法一步在泡沫镍上原位合成了具有多级结构的析氧电催化剂，并且可以通过控制反应的温度、时间以及反应物浓度合理调控催化剂的性能，相较于其他粉体材料催化剂，本专利技术制备的催化剂属于自支撑结构，无需加入高分子粘结剂，避免了导电性降低，并提高了材料的利用率，同时多级结构增加了活性位点与电解液的接触面积，在碱性条件下，本专利技术的催化剂能够在析氧反应中的表现出优异的析氧反应性能，可以有效降低析氧反应的过电位，并且在长时间的计时电流测试中展现了极好的稳定性。优选地，所述硝酸铁和硫脲的摩尔比为(0.5-1.5):1。进一步地，所述硝酸铁和硫脲的摩尔比为1:1。优选地，水热反应的温度为120-180℃，时间为4-12h。进一步地，水热反应的温度为180℃，时间为5h。优选地，所述有机溶剂的添加量使硝酸铁的浓度为0.005-0.015mol/L。进一步地，所述有机溶剂的添加量使硝酸铁的浓度为0.01mol/L。优选地，所述泡沫镍的面积为1-5cm2,厚度为1mm。进一步地，所述泡沫镍的面积为3cm2,厚度为1mm。优选地，所述泡沫镍的处理方法为：先将泡沫镍置于丙酮中超声清洗7-15分钟，随后置于盐酸溶液中超声清洗7-15分钟，依次用水和乙醇洗净后进行干燥处理，即得处理好的泡沫镍。进一步地，所述泡沫镍的处理方法为：先将泡沫镍置于丙酮中超声清洗10分钟，随后置于3M盐酸中超声清洗10分钟，依次用水和乙醇洗净后，放入真空干燥箱中60℃真空干燥至完全干燥，即得处理好的泡沫镍。本专利技术还提供了采用上述的制备方法制备得到的铁掺杂硫化镍析氧电催化剂。相对于未掺杂铁的硫化镍析氧电催化剂，本专利技术制备得到的铁掺杂硫化镍析氧电催化剂，通过掺入适量的铁离子，能够使其催化性能大大增加。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法，利用硫化镍在电催化OER中极佳的潜力，对其掺以适量的铁离子进而合理调控硫化镍的电子结构，从而制备得到一种具有成本低廉、高活性和稳定性的析氧电催化剂；同时，本专利技术制备方法简单，不仅可以有效降低析氧反应的过电位，而且有望替代传统的IrO2和RuO2基催化剂，能够降低电解水制氢，二氧化碳还原，氮气电化学固定等析氧反应的成本，本专利技术的电催化剂尤其适用于碱性条件下的析氧反应。附图说明图1为铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的X射线粉末衍射图谱；图2为铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的透射电子显微镜照片；图3为铁掺杂硫化镍析氧电催化剂中铁的2p轨道的X射线光电子图谱；图4为铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的循环伏安曲线；图5为铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的Tafel曲线；图6为铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的表征稳定性的计时电流图。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本专利技术，但并不构成对本专利技术的限定。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到的。实施例1铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备(1)首先截取1cm×3cm的泡沫镍(厚度为1mm)，置于丙酮中超声清洗10分钟，随后置于3M盐酸中超声清洗10分钟，依次用水和无水乙醇洗净后，放入真空干燥箱中60℃真空干燥至完全干燥。(2)接着加入20mL乙二醇，加入0.0808g(0.2mmol)硝酸铁，0.015(0.2mmol)硫脲，搅拌至完全溶解，然后转移至带聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，并且加入已经处理好的1cm×3cm的泡沫镍，在180℃下反应5小时，取出生长有活性物质的泡沫镍，依次用水和无水乙醇洗净后，在60℃下真空干燥即得到铁掺杂的硫化镍析氧电催化剂，命名为Fe2-Ni3S2-NF，其中Fe代表铁离子，2代表硝酸铁的投料摩尔量为0.2mmol，Ni3S2代表硫化镍，NF代表泡沫镍基底。对本实施例制备得到的Fe2-Ni3S2-NF进行X-射线粉末衍射分析，结果如图1所示，通过对比标准卡片可知，合成的物质成分主要为硫化镍(Ni3S2)和泡沫镍(Ni)。对本实施例制备的Fe2-Ni3S2-NF进行透射电镜测试，得到的电镜图片如图2所示，可以看出Fe2-Ni3S2-NF的晶格条纹对应于硫化镍的(202)、(110)、(003)晶面，与X射线粉末衍射的结果一致，说明合成的催化剂中确定存在Ni3S2。对本实施例制备的Fe2-Ni3S2-NF进行X射线光电子能谱分析，铁的2p轨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法，其特征在于，往处理好的泡沫镍中加入有机溶剂，硝酸铁和硫脲，进行水热反应后经洗涤和干燥制备得到。/n

【技术特征摘要】
1.一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法，其特征在于，往处理好的泡沫镍中加入有机溶剂，硝酸铁和硫脲，进行水热反应后经洗涤和干燥制备得到。


2.根据权利要求1所述的一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙二醇。


3.根据权利要求1所述的一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法，其特征在于，所述硝酸铁和硫脲的摩尔比为(0.5-1.5):1。


4.根据权利要求1所述的一种铁掺杂硫化镍析氧电催化剂的制备方法，其特征在于，水热反应的温度为120-180℃，时间为4-12h。


5.根据权利要求1所述的一种铁掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：应杰，何振钊，王欢，杨皓钧，蔡慈超，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44