一种空心硫化钴微球催化剂的制备方法与流程

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种空心硫化钴微球催化剂的制备方法。

背景技术：

目前，能源短缺和环境污染问题日益突出，因此，发展清洁和可再生能源变得日益紧急，其中氢能被认为是理想的能量来源方式，同时氢气在风能、太阳能等可再生能源发展中起着重要作用，而电解水制氢是一种高效、方便和最有前途的制备氢气的方法之一，因此电解水制氢是可持续发展的必由之路。

为了提高反应速率，减少电能损失，传统的电化学产氢材料是以贵金属居多。比如，在酸性溶液中，铂催化剂可以高效地进行电解水析氢反应(HER)。但铂金属的昂贵和稀少限制了其广泛应用。因此大量的研究都致力于探索代替贵金属的电化学产氢材料。近些年来，碳材料、硒化物、过渡金属磷化物、过渡金属硫化物等复合材料被陆续研究，钼或钨的硫化物及其复合物也不断问世，产氢性能也比较好，但是该类材料无法在强碱性电解液中保持稳定。

自从20世纪70年代以来，过渡金属硫化物由于具有特殊的光电性质，得到了相关科研和产业界高度关注。但是过渡金属硫化物纳米材料用于电催化水解领域仍存在较多问题。首先单组分材料催化活性的提升已经趋于瓶颈；其次，过渡金属硫化物属于半导体，电子转移速率慢；第三是电极的稳定性和可循环性问题还有待解决。因此，如何设计和制备具有高催化活性和良好的稳定性的电解水催化材料是亟待解决的问题。

在过渡金属硫化物中，钴硫化物具有很多相，成员较多。目前对于钴硫化物的研究多集中在二硫化钴等化合物，对一硫化钴研究相对较少。传统合成工艺是通过固态反应来合成过渡金属硫化物，但该方法要求高温，操作复杂，成本高、能耗高。而材料的光、电、化学性质往往需要对尺寸及其形貌进行控制，因此设计一种成本低廉，操作简单、方便合成且原料无害的方法具有重要的实用意义。

中国专利CN 106865624A公开了一种硫化钴的制备方法，其利用六水氯化钴和二甲基二硫代氨基甲酸钠通过两步法来得到产物，该方法相对复杂，且操作温度较高，能耗相对较大，且原料有害；中国专利CN 103214041A也公开了一种硫化钴的制备方法，其利用硝酸钴和硫脲合成镂空状结构的硫化钴。相比之下，本发明提供的制备方法得到的具有纳米针状晶体组成的空心微球结构的硫化钴材料拥有更多的活性位点，更有利于电解液的扩散，且方法简单，原料种类更多、来源更广、无毒害。此外，通过改变乙二胺的量来调节内部空心结构的大小，可以更容易调节比表面积的大小，具有实际意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺点，提供一种简单易行、成本低廉的方法来制备硫化钴，以本发明的方法制备的硫化钴具有特殊的空心结构，较高的比表面积、孔隙度以及催化活性，因此具有良好的电化学制氢性能。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种空心硫化钴微球催化剂的制备方法，包括如下步骤：将钴源和硫源溶于水中，在室温下搅拌，同时缓慢滴入乙二胺，继续搅拌；将所得溶液于180 ℃下进行水热反应，反应时间为16～20 h；冷却到室温，取出沉淀物；洗涤干燥后得到所述空心硫化钴微球催化剂。

进一步的，所述钴源与硫源的摩尔比为1:3.5～5。

进一步的，硫源为硫粉、硫化钠、硫代乙酰胺、硫脲或半胱氨酸的任意一种或至少两种的混合物。

进一步的，钴源为六水硝酸钴、六水氯化钴或四水乙酸钴的任意一种或至少两种的混合物。

进一步的，所述洗涤过程为：在1200 r的转速下，将所得沉淀物用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。

进一步的，所述干燥过程为：将清洗后的沉淀物在50 ℃下真空干燥24 h。

本发明制备的硫化钴，外部分布了纳米针状晶体，层次明显，其内部具有空心结构，具有较高的比表面积和孔隙度，与电解液进行充分接触，有利于催化过程的进行。具有较低的催化起点电势27.9 mV（电流密度为1 mA cm^-2时），并且在循环5000次后的起始析氢电位仍然比较低，为46.1 mV（电流密度为1 mA cm^-2时），拥有较高的催化活性和产氢性能，稳定性较高。此外，其阻抗为26.3 ohm，与P/C（20%）催化剂相比（25.4 ohm），相差较小，具有广泛应用于电催化制氢领域的前景。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用过渡金属钴的硫化物作为催化剂，原料无毒，为电解水催化剂的来源提供了新途径，且相对于贵金属而言，降低了催化剂的成本；

2.本发明采用一步溶剂热反应，制备方法简单可控，反应时间短，样品的重现性好，性能与结构比较稳定，对设备要求不高，适合规模化生产；

3.在本发明的制备方法中，通过改变乙二胺的用量，可以调节其内部空心程度，实现增加或减小球体的比表面积的目的，有利于实际应用；

4.本发明得到的空心微球硫化钴是由纳米针状晶体组成的，具有较高的比表面积及孔隙率，有利于电解液的扩散和气体脱附，增加了活性面积，在酸性、中性电解液，尤其在强碱性电解液中均拥有良好的电催化活性，对电解水制氢领域具有重要的意义。

附图说明

图1是实施例3制得的硫化钴材料的扫描电镜图；

图2是实施例3制得的硫化钴材料的扫描电镜图；

图3是Pt/C催化剂、实施例3制得的硫化钴材料及其在循环5000次后得到的电催化裂解水产氢的性能曲线；

图4是Pt/C催化剂、实施例3制得的硫化钴材料及其在循环5000次后得到极化曲线；

图5是Pt/C催化剂、实施例3制得的硫化钴材料及其在循环5000次后得到阻抗曲线。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进行详细的说明，但这些例举实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

实施例1

将2 mmol六水硝酸钴、8 mmol硫代乙酰胺溶于50 mL水中，在室温下磁力搅拌10 min，同时缓慢滴入1.4 mL乙二胺溶液，继续搅拌5 min。将所得溶液密封于70 mL的内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，在180 ℃下反应16 h。然后将其冷却到室温，取出沉淀物，在1200 r的转速下，用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。最后将产物在50 ℃下真空干燥24 h，得到空心微球结构的硫化钴。

实施例2

将2 mmol六水硝酸钴、8 mmol硫脲溶于50 mL水中，在室温下磁力搅拌10 min，同时缓慢滴入2.6 mL乙二胺溶液，继续搅拌5 min。将所得溶液密封于70 mL的内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，在180 ℃下反应20 h。然后将其冷却到室温，取出沉淀物，在1200 r的转速下，用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。最后将产物在50 ℃下真空干燥24 h，得到空心微球结构的硫化钴。

实施例3

将2 mmol六水硝酸钴、8 mmol硫粉溶于50 mL水中，在室温下磁力搅拌10 min，同时缓慢滴入3.2 mL乙二胺溶液，继续搅拌5 min。将所得溶液密封于70 mL的内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，在180 ℃下反应20 h。然后将其冷却到室温，取出沉淀物，在1200 r的转速下，用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。最后将产物在50 ℃下真空干燥24 h，得到空心微球结构的硫化钴。

实施例4

将2 mmol六水氯化钴、8 mmol硫代乙酰胺溶于50 mL水中，在室温下磁力搅拌10 min，同时缓慢滴入1.4 mL乙二胺溶液，继续搅拌5 min。将所得溶液密封于70 mL的内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，在180 ℃下反应18 h。然后将其冷却到室温，取出沉淀物，在1200 r的转速下，用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。最后将产物在50 ℃下真空干燥24 h，得到空心微球结构的硫化钴。

实施例5

将2 mmol六水氯化钴、8 mmol硫脲溶于50 mL水中，在室温下磁力搅拌10 min，同时缓慢滴入2.6 mL乙二胺溶液，继续搅拌5 min。将所得溶液密封于70 mL的内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，在180 ℃下反应20 h。然后将其冷却到室温，取出沉淀物，在1200 r的转速下，用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。最后将产物在50 ℃下真空干燥24 h，得到空心微球结构的硫化钴。

实施例6

将2 mmol六水氯化钴、8 mmol硫粉溶于50 mL水中，在室温下磁力搅拌10 min，同时缓慢滴入3.2 mL乙二胺溶液，继续搅拌5 min。将所得溶液密封于70 mL的内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，在180 ℃下反应18 h。然后将其冷却到室温，取出沉淀物，在1200 r的转速下，用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。最后将产物在50 ℃下真空干燥24 h，得到空心微球结构的硫化钴。

实施例7

将2 mmol四水乙酸钴、8 mmol硫代乙酰胺溶于50 mL水中，在室温下磁力搅拌10 min，同时缓慢滴入1.4 mL乙二胺溶液，继续搅拌5 min。将所得溶液密封于70 mL的内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，在180 ℃下反应16 h。然后将其冷却到室温，取出沉淀物，在1200 r的转速下，用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。最后将产物在50 ℃下真空干燥24 h，得到空心微球结构的硫化钴。

实施例8

将2 mmol四水乙酸钴、8 mmol硫脲溶于50 mL水中，在室温下磁力搅拌10 min，同时缓慢滴入2.6 mL乙二胺溶液，继续搅拌5 min。将所得溶液密封于70 mL的内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，在180 ℃下反应18 h。然后将其冷却到室温，取出沉淀物，在1200 r的转速下，用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。最后将产物在50 ℃下真空干燥24 h，得到空心微球结构的硫化钴。

实施例9

将2 mmol四水乙酸钴、8 mmol硫粉溶于50 mL水中，在室温下磁力搅拌10 min，同时缓慢滴入3.2 mL乙二胺溶液，继续搅拌5 min。将所得溶液密封于70 mL的内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，在180 ℃下反应18 h。然后将其冷却到室温，取出沉淀物，在1200 r的转速下，用去离子水和无水乙醇分别清洗三次，每次4 min。最后将产物在50 ℃下真空干燥24 h，得到空心微球结构的硫化钴。

电催化制氢电极的制备，包括以下步骤：

（1）将玻碳电极在0.3～0.7 μm的氧化铝水浆中打磨，然后依次在KOH溶液、无水乙醇、去离子水中分别超声洗涤1 min，获得预处理玻碳电极。

（2）取40 μL Nafion溶液、95 μL无水乙醇和365 μL去离子水制得混合溶液，加入2 mg实施例3得到的硫化钴材料，超声分散10 min，获得混合均匀的溶液。

（3）取5 μL步骤（2）得到的混合溶液，将其滴到步骤（1）的预处理玻碳电极上，室温干燥，即得到电极。

下面结合附图1-5进行材料的表征与分析：

1. 图1和图2是实施例3的硫化钴材料的扫描电镜图。从图1可以看出，在180 ℃下反应20 h后，外部分布了纳米针状晶体，层次明显。从图2中可以看出其内部空心结构，具有较高的比表面积和孔隙度，与电解液进行充分接触，有利于催化过程的进行。

2. 从图3可以发现，本发明实施例3制得的硫化钴材料具有较低的催化起点电势27.9 mV（电流密度为1 mA cm^-2时），在电流密度为10 mA cm^-2时的电势只有89.7 mV。并且在循环5000次后的起始析氢电位仍然比较低，为46.1 mV（电流密度为1 mA cm^-2时），在电流密度为10 mA cm^-2时的电势只有107 mV，仍然拥有较高的催化活性和产氢性能，说明其稳定性较高，具有广泛应用于电催化制氢领域的前景。

3. 从图4中可看出，与实施例3制得的硫化钴材料的初始极化曲线斜率相比，该材料循环5000次后的极化曲线斜率变化不大，说明仍具有较高活性，有利于实际应用。

4. 从图5可以看出，与Pt/C催化剂相比，实施例3制得的硫化钴材料阻抗为26.3 ohm，与P/C催化剂相比（25.4 ohm），相差较小。而在循环5000次后仍然具有较小的电阻36.3 ohm，进一步说明材料具有很好的导电性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。