[发明专利]一种多孔碳负载二硫化钼纳米片复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备及催化技术领域，尤其涉及一种多孔碳负载二硫化钼纳米片复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来石墨烯研究的迅猛发展，使得二维层状材料再次成为研究热点，这种层状结构是通过层间相互作用力堆叠而成，并且随着维数的降低，材料在电子学结构上与块体材料相比有明显不同，这就使其在微电子领域和催化领域表现出了良好的应用前景。

二硫化钼为一种类似于石墨烯片层结构的层状半导体材料，不仅具有优异的电学性能，而且还具有良好的催化活性，受到了越来越多的人关注。单层二硫化钼是由S-Mo-S三层原子组成的夹心结构，厚度为0.65纳米，直接带隙为1.78电子伏，这些特征使得单层与块体材料相比具有明显优势。此外，二硫化钼的边缘是很好的催化活性中心。近年来研究表明，二硫化钼对于氢析出反应(HER)有电催化活性，能用于氢能的制备，这使得其在电解水制氢领域具有很好的应用潜能。虽然二硫化钼能表现出一定的催化性能，但是微米级和块体相二硫化钼催化活性极低，应用价值较小，只有当二硫化钼的尺寸降低至纳米级，且为一层或几层结构时，其显著的催化性能才会显现出来。

目前制备二硫化钼纳米薄片的方法有：1)锂离子插层法，但是必须在无水无氧下进行，实验周期长，制备出的二硫化钼纳米薄片缺陷多；2)机械剥离法，产量少，不能大规模应用；3)化学沉积法，产量非常少，副产物多；4)水热合成法，制备步骤复杂，产量少，不能规模化使用。总的来说，以上方法都面临着各种问题，尤其是在实际电解水制氢催化应用中不利于活性位点的暴露，且易造成有效位点的损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种多孔碳负载二硫化钼纳米片复合材料及其制备方法与应用，该复合材料中，二硫化钼纳米片高度分散在多孔碳载体上，单分散性好、分布均匀且可控，且将其作为电解水制氢催化剂时，表现出优异的制氢催化活性。

本发明提供的一种多孔碳负载二硫化钼纳米片复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用多孔碳吸附钼酸盐，得到前驱物；

(2)在惰性气氛下，对所述前驱物进行热处理；硫蒸气与经过热处理的前驱物进行硫化反应，即可得到所述多孔碳负载二硫化钼纳米片复合材料。

上述的制备方法，步骤(1)中，所述多孔碳与所述钼酸盐的质量比可为12：(1～40)，具体可为12：(5～40)、12：(5～30)、12：(5～20)、12：(5～10)、12：5、12：10、12：20、12：40，优选12：5。

上述的制备方法，步骤(1)中，所述多孔碳可为任意从商业途径购买得到或者按照常规方法制备得到的具有多孔结构的碳材料，在本发明的具体实施例中，所述多孔碳可为科琴黑。所述多孔碳的孔径和比表面积不受限制，在本发明的具体实施例中，所述多孔碳的孔径可为0.5～20纳米，比表面积可为1400m²/g。

上述的制备方法，步骤(1)中，所述钼酸盐可为钼酸铵、钼酸钠和钼酸钾等可溶性钼酸盐中的一种或几种。

上述的制备方法，步骤(1)的具体操作如下：将所述多孔碳和所述钼酸盐分散在水中，静置吸附后离心，收集固体进行真空干燥，得到前驱物。

所述多孔碳质量与水的体积比可为(30～120)克：5升，具体可为60克：5升。

所述静置吸附的时间可为12～36小时，具体可为24小时。

所述真空干燥温度可为50～100℃，具体可为60℃；真空干燥时间可为12～36小时，具体可为24小时；真空度可为-0.05～-0.2兆帕，具体可为-0.1兆帕。

上述的制备方法，步骤(2)中，所述热处理的温度可为500～700℃，优选600℃；时间可为0.5～3小时，优选2小时。

上述的制备方法，步骤(2)中，所述硫蒸气与所述前驱物的质量比可为1：(10～50)，优选1：20。

上述的制备方法，步骤(2)中，所述硫化反应的温度可为500～700℃，具体可为500℃、600℃或700℃，优选600℃；时间可为0.25～3小时，具体可为1～3小时、1小时或3小时，优选1小时。

上述的制备方法，所述步骤(2)可在双温区加热炉进行，具体操作如下：

2-1)沿着所述惰性气体通入的方向，将所述前驱物置于所述双温区加热炉的下游，硫粉置于所述双温区加热炉的上游；