CN109821554A - 一种Ni-Fe-S纳米片花的制备方法 - Google Patents

一种Ni-Fe-S纳米片花的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Ni‑Fe‑S纳米片花的制备方法。该方法包括以下步骤：将三乙二醇和巯基乙醇按体积比5∶1溶解得到混合溶剂，然后将混合溶剂转移到三口瓶中，随后将1*3cm2的泡沫镍铁浸入到三口瓶中，随后加热三口瓶直至180℃，保温15min，然后关掉加热装置，使三口瓶冷却到室温，得到Ni‑Fe‑S纳米片花。本发明首次采用混合升温的方法制备出了Ni‑Fe‑S纳米片花，极大的简化了Ni‑Fe‑S纳米片花的制备工艺，大大的降低了实验原料的消耗，并且在电流密度是10mA/cm2时，它的OER过电势是220mV。

Description

一种Ni-Fe-S纳米片花的制备方法
技术领域
本发明涉及催化剂制备技术领域，具体为一种Ni-Fe-S纳米片花的制备方法。
背景技术
能源和环境是制约人类社会发展的两大突出问题。能源是人类赖以生存的基础，是社会发展和文明进步的推动力。随着社会的不断进步，人们对能源的需求也越来越强烈。当前的能源使用结构中，传统化石燃料仍占了绝大部分，包括煤炭、石油、天然气等。作为不可再生能源，化石燃料的过度使用不仅造成能源的日益紧缺，还会带来巨大的环境破坏。开发安全、高效、可持续的清洁能源是解决能源和环境问题的关键。氢能作为一种清洁、无污染的二次能源，具有很高的质量能量密度，是实现能源战略的一个理想选择。
目前来说电解水制氢是最有前景的一个途径，但是在电解水制氢过程中，电解水成本高的问题一直阻碍其发展。电催化剂的使用成为最有效降低电解水制氢成本的应对策略。然而电催化性能最佳的贵金属催化剂储量有限，其广泛应用受到限制。Ni-Fe-S因其具有低成本、良好的稳定性、高导电性以及本征活性高等优点而备受人们关注，Ni-Fe-S的相关研究也层出不穷。
2017年许安武课题组，利用化学气相沉积的方法制备出了Ni-Fe-S纳米片，在10mA/cm2时的OER过电势为265mV；2017年张强课题组利用二次水热的方法制备出了Ni-Fe-S纳米片阵列，在10mA/cm2时的OER过电势为286mV；2018年曹菲菲课题组也利用二次硫化的方法制备出Ni-Fe-S微米球，在10mA/cm2时的OER过电势为270mV。但目前报道中，Ni-Fe-S的制备方法存在严重耗能、高温、高压、电催化性能不佳等缺点，会引起电极过电势的增加，欧姆压降和电极过电势的增加，会导致电能效率的降低，现有技术的制备工艺有待改善。
发明内容
本发明的目的在于针对当前技术中存在的水热法、化学气相沉积法高压高温，耗时长，原料消耗严重的缺点，提供了一种Ni-Fe-S的制备方法。本发明采用三乙二醇和巯基乙醇混合溶剂作为液相硫源，利用混合升温的方法制备出Ni-Fe-S纳米片花，并且表现出了优异的电催化性能。本发明工艺简易，低成本，并且重复率以及材料利用率都很高，而且还可以批量制备，是一个很好的Ni-Fe-S纳米片花的制备工艺。
本发明的技术方案为：
一种Ni-Fe-S纳米片花的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备混合溶剂
将三乙二醇和巯基乙醇按体积比5∶1溶解成混合溶剂，随后将溶剂转移到三口瓶中。
(2)制备泡沫镍铁负载Ni-Fe-S纳米片花
将1*3cm2的泡沫镍铁浸入到步骤(1)中配好的混合溶剂中，随后加热三口瓶直至180℃，保温15min，然后关掉加热装置，使三口瓶冷却到室温，得到Ni-Fe-S纳米片花。
所述的三乙二醇和巯基乙醇的纯度均为99％。
所述的泡沫镍铁的纯度为95％(铁镍的比例为3∶7)，密度为0.58g/cm3，孔隙率为95％，厚度为0.8～2.5mm。
本发明的有益效果：
(1)本方法采用混合升温的方法制备泡沫镍铁负载Ni-Fe-S纳米片花，极大的简化了制备工艺。
(2)本方法制备的Ni-Fe-S纳米片花的电催化性能优于通过水热法、化学气相沉积法等方法制备的泡沫镍负载Ni-Fe-S纳米片花，同时也节省资源、低成本。
(3)本方法制备得到的Ni-Fe-S纳米片花均匀负载在泡沫镍铁上，有助于提高Ni-Fe-S纳米片花的电催化性能。
(4)本方法制备得到的Ni-Fe-S纳米片花应用到电催化中有很好的催化性能。
附图说明
图1为加热温度180℃，保温时间是15min得到的Ni-Fe-S纳米片花的X射线衍射图；
图2为加热温度180℃，保温时间是15min得到的Ni-Fe-S纳米片花的SEM图；
图3为不同的加热温度(150℃、180℃、210℃)，保温时间都是15min得到的Ni-Fe-S纳米片花的极化曲线图。
图4为不同的保温时间(5min、15min、25min)，加热温度都是180℃得到的Ni-Fe-S纳米片花的极化曲线图。
具体实施方式
本发明涉及的泡沫镍铁的生产厂家为Sigma公司，(铁镍的比例为3∶7)，密度为0.58g/cm3，孔隙率为95％，厚度为2mm；三乙二醇的生产厂家为Aladdin公司，纯度为分析纯，密度为1.126g/cm3；巯基乙醇的生产厂家为Sigma公司，纯度为99％，密度为1.11g/cm3。
实施例1
(1)配置混合溶剂
将三乙二醇和巯基乙醇按体积比5∶1溶解成混合溶剂，随后将溶剂转移到三口瓶中。
(2)制备泡沫镍负载硫化镍薄膜
将1*3cm2的泡沫镍铁浸入到步骤(1)中配好的混合溶剂中，随后加热三口瓶直至180℃，保温15min，然后关掉加热装置，使三口瓶冷却到室温，得到Ni-Fe-S纳米片花。X射线衍射图(图1)中的(111)、(200)、(210)、(211)、(220)、(311)晶面分别与标准卡片JCPDSNo.02-0850相对应，证明生成了Ni-Fe-S((Ni，Fe)S2)，表明所发明的方法可以用来制备Ni-Fe-S((Ni，Fe)S2)。其中三个最强的衍射峰为泡沫镍铁基底的衍射峰，图1中的(110)、(200)、(211)晶面分别与标准卡片JCPDS No.37-0474相对应，证明为镍铁单质。SEM扫描图(图2)表明Ni-Fe-S以纳米片花的形状均匀的长在在泡沫镍铁上，并且Ni-Fe-S纳米片花的厚度约为38nm，大小为4μm左右。样品的极化曲线(图3)表明Ni-Fe-S纳米片花在10mA/cm2时的OER过电势为220mV(在1M KOH电解液下进行电催化测试)。相较于张强课题组利用二次水热的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片阵列的OER过电势降低了66mV，相较于许安武课题组利用化学气相沉积的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片的OER过电势降低了45mV.
实施例2
其他步骤同实施例1，不同之处为加热温度，由180℃改变为150℃和210℃，结果也都得到了Ni-Fe-S纳米片花，但是在150℃条件下制备的纳米片花的均匀性很差，并且片花的厚度在100nm左右，片花的大小为2μm左右；将制备的样品的应用到电催化中，它的OER过电势是260mV。相较于张强课题组利用二次水热的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片阵列的OER过电势降低了26mV，相较于许安武课题组利用化学气相沉积的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片的OER过电势降低了5mV.样品具体的极化曲线如图3所示。此外，在210℃条件下制备的纳米片花的均匀性也不是很好，片花的厚度在60nm左右，片花的大小在2.5μm左右；将制备的样品的应用到电催化中，它的OER过电势是245mV。相较于张强课题组利用二次水热的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片阵列的OER过电势降低了41mV，相较于许安武课题组利用化学气相沉积的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片的OER过电势降低了25mV.样品具体的极化曲线如图3所示。
实施例3
其他步骤同实施例1，不同之处为保温时间，由15min改变为5min和25min，结果也都得到了Ni-Fe-S纳米片花。其中在保温时间是5min时得到的纳米片花的厚度在95nm左右，并且片花的大小约为1μm，将制备的样品应用到电催化中，它的OER过电势是256mV，相较于张强课题组利用二次水热的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片阵列的OER过电势降低了30mV，相较于许安武课题组利用化学气相沉积的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片的OER过电势降低了14mV.样品具体的极化曲线如图4所示。此外，保温时间是25min时得到的纳米片花的厚度在60nm左右，片花的大小为3μm左右。将制备的样品应用到电催化中，它的OER过电势是235mV，相较于张强课题组利用二次水热的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片阵列的OER过电势降低了51mV，相较于许安武课题组利用化学气相沉积的方法制备出的Ni-Fe-S纳米片的OER过电势降低了35mV.样品具体的极化曲线如图4所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (10)

1.一种Ni-Fe-S纳米片花的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)配置混合溶剂
将三乙二醇和巯基乙醇按一定体积比溶解成混合溶剂，随后将溶剂转移到三口瓶中。
(2)制备泡沫镍铁负载Ni-Fe-S纳米片花
将1*3cm2的泡沫镍铁浸入到步骤(1)中配好的混合溶剂中，随后加热三口瓶直至150-210℃，保温5-25min，然后关掉加热装置，使三口瓶冷却到室温，得到Ni-Fe-S纳米片花。
2.如权利要求1所述的Ni-Fe-S纳米片花的制备方法，其特征在于，所述泡沫镍铁的纯度为95％(铁镍的比例为3∶7)，密度为0.58g/cm3，孔隙率为95％，厚度为0.8～2.5mm。泡沫镍铁分别在盐酸和无水乙醇中超声清洗20min。
3.如权利要求1所述的Ni-Fe-S纳米片花的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，三乙二醇和巯基乙醇的体积比为5∶1。
4.如权利要求1所述的Ni-Fe-S纳米片花的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热温度为180℃，保温时间为15min，制备出Ni-Fe-S纳米片花，Ni-Fe-S纳米片花的厚度为30-43nm，Ni-Fe-S纳米片花的大小为3.5-4.2μm。
5.如权利要求1所述的Ni-Fe-S纳米片花的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热温度为150℃，保温时间为15min，制备出Ni-Fe-S纳米片花，Ni-Fe-S纳米片花的厚度为85-103nm，Ni-Fe-S纳米片花的大小为1.5-2.3μm。
6.如权利要求1所述的Ni-Fe-S纳米片花的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热温度为210℃，保温时间为15min，制备出Ni-Fe-S纳米片花，Ni-Fe-S纳米片花的厚度为55-65nm，Ni-Fe-S纳米片花的大小为2.1-2.9μm。
7.如权利要求1所述的Ni-Fe-S纳米片花的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热温度为180℃，保温时间为5min，制备出Ni-Fe-S纳米片花，Ni-Fe-S纳米片花的厚度为86-101nm，Ni-Fe-S纳米片花的大小为0.8-1.2μm。
8.如权利要求1所述的Ni-Fe-S纳米片花的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热温度为180℃，保温时间为25min，制备出Ni-Fe-S纳米片花，Ni-Fe-S纳米片花的厚度为54-65nm，Ni-Fe-S纳米片花的大小为2.6-3.4μm。
9.如权利要求1-8任一项所述的Ni-Fe-S纳米片花的制备方法在电催化中的应用，其特征在于，在电流密度是10mA/cm2时，Ni-Fe-S纳米片花的过电势为220-260mV。
10.如权利要求1-8任一项所述的Ni-Fe-S纳米片花的制备方法在电催化中的应用，其特征在于，该方法制备得到的Ni-Fe-S纳米片花可降低OER过电势5-66mV。
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