碳球@硫化镍复合物析氢催化剂的制备与应用的制作方法

本发明涉及一种碳球@硫化镍复合物析氢催化剂的制备与应用。

背景介绍

随着全球人口增长和能源需求迅速增加，化石燃料的持续消耗不仅会导致能源短缺，还会使环境持续恶化。这促使人类寻找其他类型的丰富的新能源。在各种能源替代战略中，氢能被认为是未来的理想能源，它具有非常高的能量密度，储量丰富、来源广泛并且清洁无污染，是化石燃料的理想替代品。电解水制氢是一种环境友好的制氢方法，但是该技术受到了铂等贵金属储量的限制，导致电解水制氢成本居高不下。这就要求发展催化活性高、成本低的非贵金属催化剂，如过渡金属硫化物、过渡金属磷化物等来降低析氢反应的过电位，从而达到在较低的过电位下产生大的电流密度来生产氢气。

硫化镍具有优异的催化性能引起了研究者广泛的广泛关注，并且在很多领域表现出巨大的应用潜力。碳材料具有储量丰富、高导电性耐酸碱腐蚀等优势，常被作为载体用于电催化过程，碳球可以通过较为简单的水热法大量制备，是一种较为理想的电催化剂载体材料。我们通过简单的水热法，以碳球为载体，硫化镍为活性材料，在碳球上均匀生长硫化镍，这样既能够减少硫化镍的团聚又能够提高碳球@硫化镍复合物催化剂的析氢反应活性。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明提供了一种碳球@硫化镍复合物析氢催化剂的制备与应用，制备的碳球@硫化镍复合物析氢催化剂能够提升析氢反应的效率，并且具有无污染的优点。

本发明的碳球@硫化镍复合物析氢催化剂的制备与应用，包括以下步骤：

1)将3.5g一水葡萄糖和0.5g十六烷基三甲基溴化铵加入100ml反应釜中，用70ml去离子水溶解，并在室温下搅拌两小时；

2）搅拌后，将反应釜放入炉子中在180℃下水热6小时；

3）将获得的产物用去离子水和乙醇清洗，并放入烘箱中烘干待用；

4）取出0.025g烘干好的碳球加入100ml烧杯中，并加入30ml去离子水、30mln，n-二甲基甲酰胺在超声的辅助下混合均匀，后加入1mmol六水硫酸镍、1mmol硫代乙酰胺，在搅拌下混合均匀；

5）将混合后的溶液转移到100ml反应釜中，在200℃下水热24小时。将产物用去离子水和乙醇清洗几次，并放入烘箱中烘干待用；

6）进行析氢电化学测试。

进一步，所述步骤2）中所采用水热时间和温度可以合成形状均一、直径在300nm-400nm的碳球。

进一步，所述步骤3）中所使用溶剂可以清洗碳球表面的其他残余溶剂。

进一步，所述步骤4）中的超声后搅拌的混合方法可以将碳球、六水硫酸镍和硫代乙酰胺分散均匀。

进一步，所述步骤5）中水热时间和温度可以使硫化镍均匀地生长在碳球表面。

进一步，所述步骤6）中碳球@硫化镍复合物在析氢反应中的过电位比碳球的过电位（j=10ma/cm2时的电位）正移513mv。

本发明的有益效果在于：本发明利用水热法成功生长出形貌规整、直径在300-400nm之间的碳球；进一步利用水热法以六水硫酸镍为镍源，以硫代乙酰胺为硫源，成功在碳球载体上生长硫化镍，硫化镍生长均匀并且很好的附着在碳球上；本发明制备的碳球@硫化镍复合物析氢催化剂具有很好的结晶度和纯度，在析氢反应中表现出良好的催化活性。

附图说明

为了使本发明的目的和优点更加清晰，下面结合附图对本发明做进一步的详细描述，其中：

图1为实施例1（碳球@硫化镍复合物）和比较例1（碳球）制备催化剂的xrd图；

图2为实施例1和比较例1两种催化剂的sem图；

图3为实施例1和比较例1两种催化剂的析氢（her）线性扫描曲线图；

图4为实施例1催化剂的析氢电流-时间（i-t）曲线稳定性图；

图1为实施例1（碳球@硫化镍复合物）和比较例1（碳球）制备催化剂的xrd图；由图可以看出碳球@硫化镍复合物的衍射峰是尖锐的，说明合成的样品具有很好的结晶度，并没有杂质峰出现，从图中可以看到碳球@硫化镍复合物催化剂中有ni3s2和nis两种物质，说明成功的把ni3s2和nis生长到碳球上。碳球在22度左右有一个宽化的衍射峰，说明碳球被成功合成。

图2为实施例1（碳球@硫化镍复合物）和比较例1（碳球）制备催化剂的sem图；从图2（a）中可以看到合成的碳球形貌规则、直径在300-400nm之间。从图2（b）中可以看法到，在碳球上均生长硫化镍物质，并没有出现团聚现象；这表明通过水热法成功合成碳球并且再次利用水热法，成功在碳球上生长硫化镍。

图3为实施例1（碳球@硫化镍复合物）和比较例1（碳球）制备催化剂的析氢（her）线性扫描曲线图；在0.5m的h2so4电解液中，用碳棒做对电极，氯化银电极做参比电极，对碳球和碳球@硫化镍复合物催化剂进行her极化曲线研究，扫描速度为10mv·s^-1。从图中可以看到碳球具有一定的析氢催化活性，但是效果不佳，当在碳球表面生长硫化镍合成碳球@硫化镍复合物催化剂时，碳球@硫化镍复合物表现出优异的析氢催化活性，碳球@硫化镍复合物在析氢反应中比碳球的过电位（j=10ma/cm²时的电位）正移513mv,此结果证明了碳球@硫化镍复合物比纯碳球具有更加优异的析氢反应活性。

图4为实施例1（碳球@硫化镍复合物）制备催化剂的析氢电流-时间曲线（i-t）稳定性图；在0.4v的电压下测试碳球@硫化镍复合物的稳定性，从图中可以看到，经过18小时的测试后，碳球@硫化镍复合物依然保持着较高的催化活性。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

实施例1的碳球@硫化镍复合物析氢催化剂的制备与应用，包括以下步骤：

1)将3.5g一水葡萄糖和0.5g十六烷基三甲基溴化铵加入100ml反应釜中，用70ml去离子水溶解，并在室温下搅拌两小时；

2）搅拌后，将反应釜放入炉子中在180℃下水热6小时；

3）将获得的产物用去离子水和乙醇清洗，并放入烘箱中烘干待用；

4）取出0.025g烘干好的碳球加入100ml烧杯中，并加入30ml去离子水、30mln，n-二甲基甲酰胺在超声的辅助下混合均匀，后加入1mmol六水硫酸镍、1mmol硫代乙酰胺，在搅拌下混合均匀；

5）将混合后的溶液转移到100ml反应釜中，在200℃下水热24小时。将产物用去离子水和乙醇清洗几次，并放入烘箱中烘干待用；

6）进行析氢电化学测试。

比较例1

比较例1的碳球析氢催化剂的制备与应用，包括以下步骤：

1)将3.5g一水葡萄糖和0.5g十六烷基三甲基溴化铵加入100ml反应釜中，用70ml去离子水溶解，并在室温下搅拌两小时；

2）搅拌后，将反应釜放入炉子中在180℃下水热6小时；

3）将获得的产物用去离子水和乙醇清洗，并放入烘箱中烘干待用；

4）进行析氢电化学测试。