[发明专利]一种二硫化钼纳米片薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于无机先进纳米膜材料技术领域，具体涉及一种在导电基底上制备MoS₂纳米片薄膜材料及其制备方法和应用。

背景技术

氢气是最有希望成为未来人类所使用的清洁能源之一，它具有燃烧热值高，燃烧产物（水）无环境污染等优点。氢的有效制取是限制氢气广泛应用的瓶颈之一。目前制取氢气的方法很多，其中水电解制氢由于其设备简单、不产生污染、产物纯度高等特点备受关注[Nature 2001,414,332]。析氢过电位是由电极上的极化作用导致的。由于析氢过电位的存在，在实际电解时要使正离子在阴极上发生还原，外加于阴极的电势必须比可逆电极的电势更负一些。就电解水制氢而言，氢的过电位高是不利的，这意味着电解时要消耗较多的电功，在使用化学电源时却只能获得较少的电功。所以，研发析氢电极，就要具有良好的电化学稳定性和较低的过电位[Chem.Rev.2010,110,6446]。析氢效果好坏可以用起峰电位和塔菲尔斜率衡量。起峰电位是指电极发生氧化还原的起始电势；塔菲尔曲线代表了参与反应的电子数和反应机理。起峰电位绝对值越小、塔菲尔斜率越小，则析氢效果越好。

众所周知，铂电极具有最低的析氢过电位（接近于0伏，相对于可逆氢电极），塔菲尔斜率为30mv/dec。催化效果好，性能稳定，但是它价格昂贵、资源匮乏，找寻新的代替型析氢电极迫在眉睫。

MoS₂是广泛研究的替代铂的析氢电极之一。现阶段，多种MoS₂的合成以及其作为析氢电极材料已被报导，但是它们具有一定的局限性。常规的气相沉积法是利用S或H₂在高温下的还原性，将钼酸盐中六价钼还原为四价钼，制备出MoS₂纳米材料[Adv.Mater.2001,13(4):283-286]。但该方法在反应中，使用、生产毒害性很强的H₂S，对环境影响大，尾气后续处理繁琐。溶剂热法制备纳米二硫化钼与石墨烯复合材料[J.Am.Chem.Soc.2011,133,7296-7299]，是将氧化石墨烯和(NH₄)₂MoS₄在有机溶剂中加热反应，直接生成MoS₂和石墨烯复合物，并将其作为析氢电极，析氢过电位在0.1V左右，塔菲尔斜率为41mv/dec。具有过电位低、电流较大等优点。但是制备过程繁琐，不便于工业化的推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种MoS₂纳米片薄膜及其制备方法，该MoS₂薄膜可用作析氢电极材料。

本发明所述的MoS₂纳米片薄膜材料，是MoS₂纳米片竖立有序地在基底上生长，MoS₂纳米片的直径为0.05-2μm，纳米片的厚度为2-30nm。

本发明制备MoS₂纳米片薄膜的方法有两种，一种是将导电基底置于钼酸盐的含硫溶液中进行水热反应，在基底上生长致密、均匀有序的MoS₂纳米片状薄膜。另一种方法是将钼片直接置入含有硫源的溶液中，在水热条件下发生硫化反应，在钼基底上形成致密均匀的MoS₂纳米片有序薄膜。

MoS₂纳米片薄膜材料的制备方法，具体步骤如下：

方法一

将可溶性钼酸盐和含硫化合物溶解于去离子水中，充分搅拌至澄清溶液，得到钼酸盐浓度为0.01-1.0mol/L，含硫化合物溶液的浓度为0.01-1.0mol/L的混合溶液；将该混合溶液加入反应器中，将处理过的基底斜置放入反应器中，于150-220℃进行水热反应3-72h，后用冷却水冷却至室温；取出，分别用水、乙醇冲洗，再分别用水和乙醇超声清洗，烘干，得到基底上生长的MoS₂纳米片薄膜。

所述的可溶性钼酸盐是(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O，Na₂MoO₄·2H₂O及H₂MoO₄。

所述含硫化合物包括硫脲，硫代乙酰胺，L-半胱氨酸。

所述基底是铜片、银片、钛片、钨片、钼片和碳基底；使用前要将其放入浓盐酸中超声洗涤，然后转移至去离子水和乙醇中，分别超声洗涤；以去除表面杂质。