一種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料及其應(yīng)用制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種納米級二硫化鉬超結(jié)構(gòu)制備方法以及將其作為電化學(xué)析氫催化劑的應(yīng)用。本發(fā)明專利技術(shù)主要通過一步溶劑熱合成了二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料，得到的復(fù)合材料經(jīng)過超聲分散后，修飾在玻碳電極上，得到二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)修飾電極。本發(fā)明專利技術(shù)主要應(yīng)用于電化學(xué)析氫，采用線性掃描曲線(極化曲線)檢測合成的二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)的催化活性大小，并用循環(huán)伏安曲線對二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。本發(fā)明專利技術(shù)充分利用二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)的暴露邊界活性位點以及納米尺寸效應(yīng)的共同作用，提高了電化學(xué)析氫的催化效率，并有效的提高了催化劑的穩(wěn)定性便于較長時間在酸性環(huán)境下的使用。

Molybdenum disulfide nano super structure material and application thereof

The invention discloses a method for preparing nano grade molybdenum disulfide superstructure and an application thereof as an electrochemical hydrogen evolution catalyst. The invention is mainly through one-step solvothermal synthesis of MoS2 nanometer structure material, composite material obtained after ultrasonic dispersion, modified on glassy carbon electrode, obtained MoS2 nanosuperstructure modified electrode. The invention is mainly used in the electrochemical hydrogen evolution by linear sweep curves (polarization curve) catalytic activity size of molybdenum disulfide nano detection synthetic super structure, stability and MoS2 nano superstructure material by cyclic voltammetry test. The invention makes full use of MoS2 nanosuperstructure boundary exposed active site and the nano size effect and interaction, improve the catalytic efficiency of electrochemical hydrogen evolution, and effectively improve the stability of the catalyst used for a long time in acid environment.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料及其應(yīng)用
本專利技術(shù)屬于清潔可持續(xù)新型能源制備應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料及其電催化制氫應(yīng)用。
技術(shù)介紹
伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)能源如天然氣、石油等的過度消耗以及使用傳統(tǒng)能源所引起的環(huán)境問題，嚴(yán)重制約著當(dāng)今社會的進(jìn)一步發(fā)展。因此，尋找一種綠色清潔能源來替代傳統(tǒng)能源已經(jīng)成為解決能源危機(jī)的重中之重。在眾多的再生能源替代方案中，氫氣由于具有高能量密度，綠色無污染等特點，因此可以作為一種理想的新型綠色能源去取代傳統(tǒng)的化石能源。傳統(tǒng)的電化學(xué)析氫催化劑通常情況下為鉑基貴金屬催化劑，這些鉑基催化劑雖然表現(xiàn)出較為優(yōu)良的電催化析氫活性，但是由于貴金屬催化劑地球儲存量少、制備成本高，因此嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步發(fā)展和實際應(yīng)用。二硫化鉬作為一種典型的過渡金屬硫族化合物，由于其層間為范德華力相互作用，具有類似于石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)。近年內(nèi)，理論計算和實驗結(jié)果均表明在電催化制氫反應(yīng)過程中二硫化鉬的催化活性中心存在于邊緣以及表面的缺陷處的活性點上而不是催化惰性的002本征面。同時，由于二硫化鉬作為一種半導(dǎo)體，具有導(dǎo)電性差特點，使得催化劑與電極的界面兩相間存在較大的電阻值，這一屬性嚴(yán)重降低了二硫化鉬作為催化劑本身的催化效率。另一方面，催化劑在長期使用的過程中，不可避免的會發(fā)生電解液對催化劑產(chǎn)生的溶解現(xiàn)象，這直接導(dǎo)致了催化劑的活性降低，從而不能滿足對于催化劑長時間使用的需求，因此提高催化劑的電化學(xué)催化析氫穩(wěn)定性成為了在提高其催化能力過程中，另一面需要考慮的實際問題。本專利技術(shù)的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料。并應(yīng)用于電化學(xué)析氫催化領(lǐng)域。該二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)具有催化劑負(fù)載量低、催化活性高、穩(wěn)定性好等特點。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料及其在電化學(xué)析氫反應(yīng)中的應(yīng)用。本專利技術(shù)的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料，通過以下方法制備得到：(1)將1g硫代鉬酸銨使用研缽進(jìn)行充分研磨；(2)取出30mg步驟1中研磨得到的粉末，將其加入到30mL二甲基甲酰胺溶液中，并進(jìn)行超聲30分鐘將其溶解，得到硫代鉬酸銨的二甲基甲酰胺溶液；(3)把步驟2中得到的溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，并在210℃下反應(yīng)15h，得到黑色產(chǎn)物；(4)將步驟3中反應(yīng)得到的黑色產(chǎn)物用乙醇清洗后，并在60℃下真空干燥24h，得到二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料。一種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，該應(yīng)用為將所述材料應(yīng)用于制備電極，所述電極由玻碳電極和涂于玻碳電極上的二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料組成。進(jìn)一步地，所述電極的制備方法為：將3mg二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料分散于1.5mL去離子水和乙醇的混合溶液中(離子水和乙醇的體積比為3：1)，然后加入120μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的Nafion溶液中，分散均勻后，得到懸浮液；將懸浮液涂在玻碳電極上，自然干燥后得到二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)修飾的玻碳電極。本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)通過簡單的一步溶劑熱法得到了二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料，采用該材料制備的電極可以應(yīng)用于電化學(xué)催化析氫中。在催化活性方面，由于這種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)是由二硫化鉬納米片沿其002面堆疊而成，當(dāng)其位于任意基底上時，由于重力場的作用，二硫化鉬納米片垂直于電極表面上的，因此及具有催化活性的002面上邊緣活性中心就更容易和溶液中的氫離子接觸。相對于平鋪于電極表面的二硫化鉬納米片，這種特殊的納米結(jié)構(gòu)有效地降低了電子在二硫化鉬層與層之間傳輸?shù)淖枇ΑＴ诖呋€(wěn)定性方面，由于002面上的層間距的擴(kuò)大，以及二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料中三維結(jié)構(gòu)的形成，有利于減少催化劑在長時間使用過程中體積的改變，因此增強(qiáng)了催化劑的穩(wěn)定性。附圖說明圖1是實施例1制備的二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡圖片(SEM)。圖2是實施例1制備二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡圖片(TEM)。圖3是實施例1制備二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)在0.5M硫酸溶液中電化學(xué)析氫的極化曲線(Polarizationcurves)。圖4是實施例1制備二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)在0.5M硫酸中的穩(wěn)定性測試曲線(Durabilitytest)。圖5是實施例2制備二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)在0.5M硫酸溶液中電化學(xué)析氫的極化曲線(Polarizationcurves)。圖6是實施例2制備二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)在0.5M硫酸中的穩(wěn)定性測試曲線(Durabilitytest)。具體實施方式下面結(jié)合實施例對本專利技術(shù)作進(jìn)一步說明本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案，這些實施例不能理解為是對技術(shù)解決方案的限制。實施例1：本實施例制備二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料，具體包括以下步驟：(1)將1g硫代鉬酸銨使用研缽進(jìn)行充分研磨；(2)取出30mg步驟1中研磨得到的粉末，將其加入到30mL二甲基甲酰胺溶液中，并進(jìn)行超聲30分鐘將其溶解，得到硫代鉬酸銨的二甲基甲酰胺溶液；(3)把步驟2中得到的溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，并在210℃下反應(yīng)15h，得到黑色產(chǎn)物；(4)將步驟3中反應(yīng)得到的黑色產(chǎn)物用乙醇清洗后，并在60℃下真空干燥24h，得到二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料。圖1為本專利技術(shù)制備的二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖(SEM)，從圖1中可以看出二硫化鉬納米結(jié)構(gòu)橫向尺寸大小為90nm。圖2為本專利技術(shù)制備的二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)的高分辨透射電子顯微鏡圖(HRTEM)。從圖中可以看出二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)是由超薄二硫化鉬納米片自組裝而成，二硫化鉬納米片沿其002面堆疊。其002面上的層間距為0.85nm。二硫化鉬作為一種電催化析氫催化劑，其催化活性中心位于002面上的邊緣。將這種置于任意基底上時，由于重力場的作用，二硫化鉬納米片將垂直于基底，不僅得到了有利于氫離子接觸的更多的活性中心，而且降低了電子在002面上層與層之間的傳輸電阻。二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)形成，使超薄二硫化鉬片之間形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了催化劑的穩(wěn)定性。另外擴(kuò)大的002面的層間距(0.85nm)不僅便于更多的氫離子聚集在活性中心的邊緣，而且有效的降低了催化劑在使用過程中體積改變所造成的影響。因此也提高了催化劑的穩(wěn)定性。將上述制備的二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)制備玻碳電極，具體為：將3mg干燥后的二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)加入到1.5mL體積比為(3：1)的去離子水—乙醇混合液中，并加入120μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt％Nafion溶液中，超聲半個小時后得到懸浮液。然后用移液槍量取懸浮液5μL的懸浮液滴涂在玻碳電極上，自然干燥后得到二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)修飾的玻碳電極。將二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)修飾的玻碳電極(GCE)為工作電極(WE)、飽和甘汞電極為參比電極(RE)、鉑絲為對電極(CE)組成三電極體系，以0.5M硫酸為電解液。在進(jìn)行電化學(xué)測試前，通入飽和氮氣，除去溶液中的氧氣。并對電極進(jìn)行校準(zhǔn)正SCE＝RHE+0.267V。圖3為本專利技術(shù)制備的二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)的極化曲線，從圖中可以看出當(dāng)過電位為250mV時，電流密度達(dá)到了52mA/cm2，換算成質(zhì)量電流密度為386A/g。圖4為本專利技術(shù)制備的二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性測試曲線，從圖中可以看出循環(huán)2000次后，其在過電位為250mV的電流密度幾乎沒有改變。表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性。實施例2：本實施例制備二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料，具體包括以下步驟：(1)將1g硫代鉬酸銨使用研缽進(jìn)行充分本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，由二硫化鉬納米片沿其002面堆疊而成，層間距為0.85nm。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料，其特征在于，由二硫化鉬納米片沿其002面堆疊而成，層間距為0.85nm。2.一種權(quán)利要求1所述二硫化鉬納米超結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將硫代鉬酸銨粉末溶解于二甲基甲酰胺中，得到1～3mg/mL的硫代鉬酸銨二甲基甲酰胺溶液。(2)把步驟1中的溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，并在210～230℃下反應(yīng)12～15h，得到黑色產(chǎn)物。(3)將步驟2中反應(yīng)得到的黑色產(chǎn)物用乙醇清洗后，真...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：崔小強(qiáng)，祁琨，張雷，劉暢，張海燕，
申請(專利權(quán))人：吉林大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：吉林,22