CN110215928A - 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法及其在电解水的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硫掺杂磷化镍纳米粉体及电解水的应用,包括以下步骤(1)将含镍的水溶液进行预处理,调节溶液酸碱度,加入碱调节剂制备碱性预反应溶液,加热反应,反应结束后洗涤,离心,收集得到镍源前驱物粉末。(2)将镍源前驱物与磷化试剂按比例在惰性气体保护下进行煅烧处理得到磷化镍。(3)将磷化镍与硫源在惰性气体保护下进行煅烧处理,收集得到黑色硫掺杂磷化镍粉末。硫掺杂磷化镍应用到电催化产氧反应(OER)具有优异的催化性能,过电位低至0.294 V(相对标准氢电极),塔菲尔斜率低至58 mV/dec。
Description
技术领域
本发明涉及无机纳米粉体的制备应用领域,具体涉及一种煅烧法制备硫掺杂磷化镍纳米粉体及在电解水的应用。
背景技术
能源对促进国家发展和提高人民生活水平相当重要,其中使用最广泛的能源是含碳的传统化石燃料,它提供了世界绝大多数的能量,但化石燃料在使用时会造成能源浪费,甚至导致出现能源危机现象;同时,化石燃料燃烧能够产生一些污染物而对人类赖以生存的环境造成严重污染。随着人们环境保护意识的增强,开发清洁、高效、可再生的新能源已成为目前研究的焦点。由于太阳能、海洋能、风能等绿色能源的利用存在间歇性、不稳定性、地域性等缺点,此类绿色能源无法普遍的大规模利用,氢气作为一种理想的绿色能源,在产业生产中是必不可少的,并且是未来氢经济的主要能源载体,其中电催化水分解是重要的产氢方式。水分解反应主要分为两个半反应:析氢反应(HER:2H+(aq)+2e-→H2(g)E0=0 V)析氧反应(OER:2H2O(aq)→4e-+4 H+(aq)+4O2(g)E0=1.23 V)。
其中 OER 涉及4电子传递过程,具有较高的过电位(η),属于动力学慢反应过程,因此,OER 是整个电催化分解水的瓶颈所在。此外,目前对 OER 电催化活性最好的是贵金属IrO2、RuO2,但贵金属的高成本和稀缺性严重限制了它们的大规模应用。因此,针对高效、高稳定、多活性位点、导电性好以及价格低廉的OER电催化剂的研究是极其重要的。
过渡金属化合物主要以Fe、Co、Ni、Gu、Mo、W等金属的化合物为主,这些金属元素在地壳中的储量高,而且这些金属原子有未充满的价层d轨道,d电子层容易失去电子或夺取电子,具有较强的氧化还原性能,此外过渡金属还具有优异的导电性。然而,过渡金属普遍具有带隙宽度大、电子转移阻力大、活性位点少等缺点使其在成为理想的电催化剂道路上仍面临重大挑战。此外,过渡金属磷化物由于其优良的物化性质、低廉的价格以及在0 - 14的宽pH范围内良好的化学稳定性而受到人们的关注。
使用合适的化学手段调控纳米材料,会实现其结构的调控从而显著的提升其功能性。诸多化学手段中,掺杂及制造缺陷作为简便、有效的性能调控手段,可以实现对材料活性位点、配位环境、电子结构等性能的优化。另外,煅烧处理在纳米材料表面产生部分断裂和空隙,形成多孔中空纳米结构,解决了电解反应过程中材料体积膨胀带来的催化性下降的问题,进而提升了材料的稳定性,并且大幅度增加了纳米材料与电解液的接触面积,进而提升催化活性。鉴于此,本发明提供了一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的催化材料通过优化材料结构、提高周转频率、增加活性位点大幅度提升催化活性。
发明内容
1. 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,包括以下步骤(1)将含镍源的水溶液加入反应装置中,调节溶液酸碱性,加入碱调节剂制备碱性预反应溶液,加热反应,反应结束后离心洗涤,收集得到的镍源前驱物粉末;(2)将镍源前驱物与磷化试剂配制一定比例,在管式炉中通入惰性气体进行煅烧处理,反应结束后,离心洗涤,真空干燥,收集得到黑色磷化镍;(3)将磷化镍粉末与硫化试剂配制一定比例混合均匀置于管式炉中,在惰性气体保护下进行煅烧处理,反应结束后自然冷却,离心洗涤,真空干燥,收集得到黑色硫掺杂磷化镍纳米粉体。
2. 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,步骤(1)中镍源为硝酸镍、氯化镍、乙酸镍、乙酰丙酮镍、硫酸镍、氧化镍中的一种或几种;最优为氯化镍、硝酸镍。
3. 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,步骤(1)中镍源浓度为1 mmol/L ~40 mmol/L;最优为1 mmol/L ~ 20 mmol/L。
4. 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,步骤(1)中反应温度为100 oC ~ 200oC,时间为10 h ~ 40 h;最优为130 oC ~ 200 oC,10 h ~ 30 h。
5. 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,步骤(2)中镍源前驱物与磷化试剂的质量比为1 : 2 ~ 100;最优为1 : 20。
6. 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,步骤(2)中镍源前驱物与磷化试剂置于管式炉中通入惰性气体N2或Ar,煅烧温度为300 ℃ ~ 550 ℃,煅烧时间为1 h ~ 4 h;最优为300 ℃ ~ 500 ℃,2 h ~ 4 h。
7. 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,步骤(2)镍源前驱物与磷化试剂置于管式炉中通入惰性气体,升温速率固定为2 oC/min。
8.一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,步骤(3)中磷化镍与硫化试剂的质量比例为 1 : 10 ~ 1000;最优为1 : 10 ~ 200。
9. 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,步骤(3)中磷化镍与硫化试剂置于管式炉中通入惰性气体N2或Ar,煅烧温度为200 ℃ ~ 500 ℃,煅烧时间为0.5 h ~ 5 h;最优为250 ℃ ~ 400 ℃,0.5 h ~ 2.5 h。
10. 一种硫掺杂磷化镍纳米粉体的制备方法,步骤(3)磷化镍与硫化试剂置于管式炉中通入惰性气体,升温速率固定为1 oC/min。
具体实施例方式
为了进一步了解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
第一步:取实验室用50 mL水热反应釜,水热反应釜具有不锈钢外壳,聚四氟乙烯内胆。取40 mL去离子水加入到50 mL聚四氟乙烯内胆中,搅拌下加入硝酸镍(91.3 mg,0.5 mmol)后加入2.4 mg碳酸氢钠调节反应液pH值为8。快速搅拌l0 min。将水热高压釜密封后置于130 °C的烘箱内保温30 h。自然冷却后,分别用去离子水、乙醇离心洗涤真空烘干后得到镍源前驱体粉末。
第二步:将50 mg镍源前驱体与1 g次亚磷酸钠置于管式炉中在N2气保护下以2 oC/min的升温速率,300 oC保温2 h,然后自然冷却,用去离子水离心洗涤产物,真空干燥收集得到黑色磷化镍。
第三步:将50 mg黑色磷化镍粉末与0.5 g升华硫置于管式炉中在N2气保护下以1oC/min的升温速率,250 oC保温2.5 h,反应结束后,用去离子水离心洗涤产物,真空干燥收集得到硫掺杂磷化镍纳米粉体。
第四步:硫掺杂磷化镍纳米粉体电解水应用
1. 称取5 mg硫掺杂磷化镍纳米粉体,加入到1 mL乙醇与水的混合溶剂中(乙醇与水的体积比为3 : 7),同时加入50 μL Nafion溶液,超声10分钟,得到黑色分散液。取5 μL上述分散液,滴涂在玻碳电极表面,玻碳电极直径为3 mm,自然晾干。
2. 采用三电极体系,在辰华660E电化学工作站上进行电催化分解水产氢性能测试。以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,以铂电极为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极。以1 mol/L氢氧化钾溶液为电解液,以H型玻璃电解槽为反应装置。
3. 以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,在三电极体系中进行循环伏安测试,使样品活化。循环伏安测试电压区间为0 ~ 0.8 V,最高电位0.8 V,最低电位0 V,开始电位为0 V,终止电位为0.8 V。扫描速率为0.05 V/s。采样间隔为0.001 V,静置时间为2 s,扫描段数为500。
4. 经循环伏安测试后,以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,在三电极体系中进行线性电压扫描测试,电压区间为0 ~ 0.8 V。初始电位为0 V,终止电位为0.8 V。扫描速率为5 mV/s。采样间隔为0.001 V。静置时间为2 s。经数据处理和计算后,具有缺陷的钴掺杂二硫化铁纳米粉体在应用到OER的有益效果,其催化水分解产氧的过电位为0.296 V(相对标准氢电极),塔菲尔斜率为60 mV/dec。
实施例2
第一步:取实验室用50 mL水热反应釜,水热反应釜具有不锈钢外壳,聚四氟乙烯内胆。取40 mL去离子水加入到50 mL聚四氟乙烯内胆中,搅拌下加入氯化镍(64.7 mg,0.5 mmol)后加入2.6 mg碳酸氢钠调节反应液pH值为8.5。快速搅拌l0 min。将水热高压釜密封后置于150 °C的烘箱内保温24 h。自然冷却后,分别用去离子水、乙醇离心洗涤真空烘干后得到镍源前驱体粉末。
第二步:将50 mg镍源前驱体与1 g次亚磷酸钠置于管式炉中在N2气保护下以2 oC/min的升温速率,400 oC保温3 h,然后自然冷却,用去离子水离心洗涤产物,真空干燥收集得到黑色磷化镍。
第三步:将50 mg黑色磷化镍粉末与5 g升华硫置于管式炉中在N2气保护下以1 oC/min的升温速率,300 oC保温1 h,反应结束后,用去离子水离心洗涤产物,真空干燥收集得到硫掺杂磷化镍纳米粉体。
第四步:硫掺杂磷化镍纳米粉体电解水应用
1. 称取5 mg硫掺杂磷化镍纳米粉体,加入到1 mL乙醇与水的混合溶剂中(乙醇与水的体积比为3 : 7),同时加入50 μL Nafion溶液,超声10分钟,得到黑色分散液。取5 μL上述分散液,滴涂在玻碳电极表面,玻碳电极直径为3 mm,自然晾干。
2. 采用三电极体系,在辰华660E电化学工作站上进行电催化分解水产氢性能测试。以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,以铂电极为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极。以1 mol/L氢氧化钾溶液为电解液,以H型玻璃电解槽为反应装置。
3. 以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,在三电极体系中进行循环伏安测试,使样品活化。循环伏安测试电压区间为0 ~ 0.8 V,最高电位0.8 V,最低电位0 V,开始电位为0 V,终止电位为0.8 V。扫描速率为0.05 V/s。采样间隔为0.001 V,静置时间为2 s,扫描段数为500。
4. 经循环伏安测试后,以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,在三电极体系中进行线性电压扫描测试,电压区间为0 ~ 0.8 V。初始电位为0 V,终止电位为0.8 V。扫描速率为5 mV/s。采样间隔为0.001 V。静置时间为2 s。经数据处理和计算后,具有缺陷的钴掺杂二硫化铁纳米粉体在应用到OER的有益效果,其催化水分解产氧的过电位为0.294 V(相对标准氢电极),塔菲尔斜率为58 mV/dec。
实施例3
第一步:取实验室用50 mL水热反应釜,水热反应釜具有不锈钢外壳,聚四氟乙烯内胆。取40 mL去离子水加入到50 mL聚四氟乙烯内胆中,搅拌下加入硝酸镍(137 mg,0.75 mmol)后加入2.5 mg碳酸氢钠调节反应液pH值为8。快速搅拌l0 min。将水热高压釜密封后置于180 °C的烘箱内保温10 h。自然冷却后,分别用去离子水、乙醇离心洗涤真空烘干后得到镍源前驱体粉末。
第二步:将50 mg镍源前驱体与1 g次亚磷酸钠置于管式炉中在N2气保护下以2 oC/min的升温速率,500 oC保温4 h,然后自然冷却,用去离子水离心洗涤产物,真空干燥收集得到黑色磷化镍。
第三步:将50 mg黑色磷化镍粉末与10 g升华硫置于管式炉中在N2气保护下以1oC/min的升温速率,400 oC保温0.5 h,反应结束后,用去离子水离心洗涤产物,真空干燥收集得到硫掺杂磷化镍纳米粉体。
第四步:硫掺杂磷化镍纳米粉体电解水应用
1. 称取5 mg硫掺杂磷化镍纳米粉体,加入到1 mL乙醇与水的混合溶剂中(乙醇与水的体积比为3 : 7),同时加入50 μL Nafion溶液,超声10分钟,得到黑色分散液。取5 μL上述分散液,滴涂在玻碳电极表面,玻碳电极直径为3 mm,自然晾干。
2. 采用三电极体系,在辰华660E电化学工作站上进行电催化分解水产氢性能测试。以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,以铂电极为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极。以1 mol/L氢氧化钾溶液为电解液,以H型玻璃电解槽为反应装置。
3. 以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,在三电极体系中进行循环伏安测试,使样品活化。循环伏安测试电压区间为0 ~ 0.8 V,最高电位0.8 V,最低电位0 V,开始电位为0 V,终止电位为0.8 V。扫描速率为0.05 V/s。采样间隔为0.001 V,静置时间为2 s,扫描段数为500。
4. 经循环伏安测试后,以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,在三电极体系中进行线性电压扫描测试,电压区间为0 ~ 0.8 V。初始电位为0 V,终止电位为0.8 V。扫描速率为5 mV/s。采样间隔为0.001 V。静置时间为2 s。经数据处理和计算后,具有缺陷的钴掺杂二硫化铁纳米粉体在应用到OER的有益效果,其催化水分解产氧的过电位为0.295 V(相对标准氢电极),塔菲尔斜率为59 mV/dec。
实施例4
第一步:取实验室用50 mL水热反应釜,水热反应釜具有不锈钢外壳,聚四氟乙烯内胆。取40 mL去离子水加入到50 mL聚四氟乙烯内胆中,搅拌下加入氯化镍(97.1 mg,0.75mmol)后加入2.6 mg碳酸氢钠调节反应液pH值为9。快速搅拌l0 min。将水热高压釜密封后置于170 °C的烘箱内保温20 h。自然冷却后,分别用去离子水、乙醇离心洗涤真空烘干后得到镍源前驱体粉末。
第二步:将50 mg镍源前驱体与1 g次亚磷酸钠置于管式炉中在N2气保护下以2 oC/min的升温速率,450 oC保温2.5 h,然后自然冷却,用去离子水离心洗涤产物,真空干燥收集得到黑色磷化镍。
第三步:将50 mg黑色磷化镍粉末与7.5 g升华硫置于管式炉中在N2气保护下以1oC/min的升温速率,350 oC保温2 h,然后自然冷却,用去离子水离心洗涤产物,真空干燥收集得到硫掺杂磷化镍纳米粉体。
第四步:硫掺杂磷化镍纳米粉体电解水应用
1. 称取5 mg硫掺杂磷化镍纳米粉体,加入到1 mL乙醇与水的混合溶剂中(乙醇与水的体积比为3 : 7),同时加入50 μL Nafion溶液,超声10分钟,得到黑色分散液。取5 μL上述分散液,滴涂在玻碳电极表面,玻碳电极直径为3 mm,自然晾干。
2. 采用三电极体系,在辰华660E电化学工作站上进行电催化分解水产氢性能测试。以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,以铂电极为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极。以1 mol/L氢氧化钾溶液为电解液,以H型玻璃电解槽为反应装置。
3. 以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,在三电极体系中进行循环伏安测试,使样品活化。循环伏安测试电压区间为0 ~ 0.8 V,最高电位0.8 V,最低电位0 V,开始电位为0 V,终止电位为0.8 V。扫描速率为0.05 V/s。采样间隔为0.001 V,静置时间为2 s,扫描段数为500。
4. 经循环伏安测试后,以涂有硫掺杂磷化镍纳米粉体的玻碳电极为工作电极,在三电极体系中进行线性电压扫描测试,电压区间为0 ~ 0.8 V。初始电位为0 V,终止电位为0.8 V。扫描速率为5 mV/s。采样间隔为0.001 V。静置时间为2 s。经数据处理和计算后,具有缺陷的钴掺杂二硫化铁纳米粉体在应用到OER的有益效果,其催化水分解产氧的过电位为0.297 V(相对标准氢电极),塔菲尔斜率为61 mV/dec。
Claims (8)
1.一种硫掺杂磷化镍纳米粉体及其制备方法,其特征在于,包括以下步骤(1)将含镍源的水溶液加入反应装置中,调节溶液酸碱度,加入碱调节剂制备碱性预反应溶液,加热反应,反应结束后离心洗涤,收集得到镍源前驱物粉末;(2)将镍源前驱物与磷化试剂配制一定比例混合均匀,在惰性气体保护下进行煅烧处理,一定时间后,自然冷却,收集得到黑色磷化镍;(3)将黑色磷化镍与硫化试剂配制一定比例混合均匀,在惰性气体保护下进行煅烧处理,反应结束后自然冷却,收集得到黑色硫掺杂磷化镍纳米粉体。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,镍源为硝酸镍、氯化镍、乙酸镍、乙酰丙酮镍、硫酸镍、氧化镍中的一种或几种,含镍水溶液浓度为1 mmol/L ~ 40mmol/L。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,调节溶液酸碱度,加入碱调节剂制备碱性预反应溶液,碱调节剂指氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化铯、碳酸钠、碳酸钾、碳酸铯、碳酸氢钠、碳酸氢钾、三乙胺、三甲胺、吡啶、N,N-二甲基吡啶(DMAP)、1,10-邻菲罗啉,溶液酸碱度pH为8 ~ 9。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,加热反应温度为100 oC ~200 oC,反应时间为10 ~ 40 h。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2)中,磷化试剂为次亚磷酸钠,镍源与磷化试剂的质量比为1 :2 ~ 100。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2)中,镍源前驱物与磷化试剂置于管式炉中通入惰性气体N2或Ar,煅烧温度为300 ℃ ~ 550 ℃,煅烧时间为1 h ~ 4 h。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)中,硫化试剂为升华硫,磷化镍与硫化试剂的质量比为1 :10 ~ 1000。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)中,磷化镍与硫化试剂置于管式炉中通入惰性气体N2或Ar,煅烧温度为300 ℃ ~ 600 ℃,煅烧时间为0.5 h ~ 5 h。
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