一种Ir负载NiPS3复合异质结构纳米片及其制备方法和应用

本发明属于电催化分解水，特别涉及一种ir负载nips3复合异质结构纳米片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、由可再生能源发电再驱动电化学水分解，是目前高效、可持续制氢最有前景的方法之一，是未来氢能社会的基石。解释性的，电解水包括两个半反应，分别为阴极的析氢反应(her)和阳极的析氧反应(oer)；其中，相较于包含两个电子转移过程的her过程，oer过程中多步质子耦合电子转移的动力学更加缓慢；因此，先进的电催化剂对于提高水电解槽的能量转换效率至关重要，特别是双功能电催化剂。

2、当前，贵金属及其氧化物(示例性的，如pt/c、ruo2和iro2等)，被认为是最优秀的her和oer电催化剂；然而，稀缺性、价格高昂和耐久性差，限制了它们的大规模商业应用。因此，设计非贵金属电催化剂或者降低贵金属使用量，并赋予新型催化剂析氢和析氧双功能催化活性，是一项具有挑战性的科学课题。

3、过渡金属硫属化物和磷化物因其资源丰富性和相对优秀的电催化性能，引起了研究人员的广泛关注。特别地，一种新型层状材料，过渡金属三硫代磷化合物mps3(m＝cr、mn、fe、co、ni、zn)是s和p混合成的单相金属化合物，由于固有的层状结构、多样性、可调的电子结构和独特的三元组成，mps3作为新兴的水分解电催化剂越来越受到关注；进一步地，三元镍磷硫化物(nips3)的性能优于其他单金属基化合物(解释性的，据报道，nips3和feps3纳米片在1到14的宽ph范围内对her电催化都具有活性)；然而，尽管nips3含有丰富的psx官能团，诸多实验和理论计算研究表明，nips3中只有不饱和配位的边缘原子充当了催化反应的活性中心，而由于nips3本身固有的半导体性质，其基面上的位点均表现出惰性，这导致了沿基面的电子转移速率缓慢。

4、解释性的，降低nips3的纵向尺寸或者与导电材料混合是提高其活性的有效方法；然而，这种增强效应是有限的，暴露的基面仍然没有得到充分利用，低效的电子传输也没有得到改善；再有，nips3对oer反应的催化效果较差，如何使其具有高效的双功能活性也是关键的科学问题。

5、进一步解释性的，构建异质体系是改进nips3材料电催化性能的有效方法；示例性的，如制备mos2/nips3、niooh/nips3、ru/nips3等异质体系，“/”为负载的意思。然而，上述异质体系虽然在一定程度上优化了nips3体系的导电性并提升了催化活性，但其实际催化性能仍与低能耗生产需要(her过电位小于30mv，oer过电位小于250mv)存在差距，且无法同时兼具her/oer双功能催化活性；此外，负载的金属纳米粒子的尺寸过大和分散性差，导致了原材料的利用率不高和催化活性受限，颗粒的团聚致使催化剂稳定性不高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种ir负载nips3复合异质结构纳米片及其制备方法和应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明公开的技术方案，具体提供了一种高活性、高耐久性的，具有析氢、析氧双重电催化性能的ir/nips3复合异质结构纳米片制备方案，解决了现有技术的异质体系中负载纳米颗粒尺寸过大、分散性差，以及催化活性低、催化功能单一、稳定性差的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种ir负载nips3复合异质结构纳米片的制备方法，包括以下步骤：

4、基于预先获取的nips3纳米片，采用多元醇还原法合成获得ir负载nips3复合异质结构纳米片；

5、其中，采用多元醇还原法合成获得ir负载nips3复合异质结构纳米片的步骤包括：通过超声方式，将nips3纳米片和多元醇处理形成悬浮液，在所述悬浮液中加入含ir离子的水溶液，形成悬浮液体系；所述悬浮液体系在120℃～150℃温度范围下搅拌反应，冷却至室温收集获得ir负载nips3复合异质结构纳米片。

6、本发明制备方法的进一步改进在于，所述悬浮液体系中，每8mg～16mg nips3纳米片对应10ml多元醇以及420μl的0.06～0.14m含ir离子的水溶液。

7、本发明制备方法的进一步改进在于，所述悬浮液体系在120℃～150℃温度范围下搅拌反应的过程中，采用油浴加热方式。

8、本发明制备方法的进一步改进在于，通过电化学剥离结合温和超声方式，制备获得所述预先获取的nips3纳米片。

9、本发明制备方法的进一步改进在于，所述通过电化学剥离结合温和超声方式，制备获得所述预先获取的nips3纳米片的步骤包括：

10、通过施加直流电压，在块状nips3层间嵌入离子和气泡，获得疏松海绵状的nips3；

11、将疏松海绵状的nips3进行温和的冰浴超声剥离，分散形成成nips3纳米片并清洗、干燥，完成制备。

12、本发明制备方法的进一步改进在于，所述含ir离子的水溶液为h2ircl6、k2ircl6或ircl3·h2o的水溶液。

13、本发明制备方法的进一步改进在于，所述多元醇为乙二醇或二乙二醇。

14、本发明提供的一种上述制备方法制备获得的ir负载nips3复合异质结构纳米片。

15、本发明提供的一种ir负载nips3复合异质结构纳米片的应用，用于作为电催化水分解的双功能催化剂。

16、进一步地，在碱性介质中，ir负载nips3复合异质结构纳米片在达到10macm–2电流密度时的her过电位(η10)为23mv，tafel斜率为32mv dec–1，oer的过电位η10为236mv，tafel斜率为83.2mv dec–1。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、本发明公开了一种ir负载nips3复合异质结构纳米片(ir/nips3复合异质结构纳米片)的制备方法，设计了多元醇还原法制备ir/nips3复合异质结构纳米片的方案，通过选择合适温度区间并采用多元醇辅助，使得ir离子通过强化学相互作用与nips3键合并生长成尺寸较小且均一的ir颗粒，并进一步使其有效地稳定和分散在nips3载体上。解释性的，ir颗粒的高分散性，缓解了其在催化过程中的团聚，确保了催化剂结构的完整和催化活性中心的暴露，增强了稳定性；ir颗粒的小尺寸增加了活性位点的数量，提升了催化性能，降低了原料损耗；此外，ir颗粒与nips3载体之间的化学键合作用增强了电荷转移和体系导电性，且调整了体系的电子结构，使得中间体的吸附和解吸行为在异质结构中得到协同优化，赋予了体系her和oer双功能催化活性。

19、本发明的优选技术方案中，进一步优选了受热均匀的油浴加热方式、合适的配料比，能够进一步促进制备获得优异的ir负载nips3复合异质结构纳米片。

20、本发明的优选技术方案中，使用电化学剥离法结合温和超声高效制备纵向尺寸超薄、横向尺寸可观的二维nips3纳米片，为ir纳米颗粒的生长提供理想的载体。

21、本发明制备的ir负载nips3复合异质结构纳米片可作为电催化水分解的双功能催化剂，展现出了超越商业催化剂的析氢和析氧性能，同时具备更优秀的稳定性、耐久性。