[发明专利]三维石墨烯网状结构负载二硫化钼纳米材料的制备与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维石墨烯网状结构负载二硫化钼纳米材料及制备与应用，属于电催化析氢反应领域。

背景技术

能源与环境问题是人类面临的严重问题。随着化石燃料的大量使用，能源与环境问题变得日益突出，如空气污染、全球变暖。同时，对化石燃料的过分依赖也使得我们的经济更容易受到这些化石燃料的影响。因此，我们急需发展一种清洁、可再生的化石燃料替代品。氢气(H₂)由于具有广泛的来源、燃烧热值高和环保等优点，而被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。

尽管氢元素是地球上最丰富的元素，但是它并不是以H₂的形式存在，因此我们需要一种高效、可持续的产氢技术。目前，工业上产氢的方式主要有三种：甲烷气体重整、煤气化和水电解，其中前两种占95％，水电解只占4％。由于SMR和CG强烈的依赖于化石燃料并产生大量的CO₂，所有最理想的产氢方式还是水电解。

二硫化钼是一种活性较高的电催化析氢反应(HER)催化剂，也是目前研究最热的材料。二硫化钼是一种六边形的层状堆积的类石墨烯材料，层间距约为层与层之间的作用力是范德华力。晶体结构有金属相的1T相和半导体相的2H相，1T相的导电性要好于2H。从热力学的角度来说，二硫化钼片层的生长更倾向于在平面方向，然而，它的活性位点却位于边缘处的不饱和S原子上。因此增加MoS₂的边缘位点有利于提高催化活性。

影响HER催化活性的因素有：催化位点的本证催化活性、活性位点的多少和催化剂的导电性。因此，可以通过以下三个途径来提高二硫化钼材料HER活：(1)通过增加二硫化钼材料的缺陷或制备纳米结构的二硫化钼的方法增加材料的活性位点；(2)通过二硫化钼的相结构的转变(2H→1T)或(3)二硫化钼与C材料和金属复合来增加材料的导电性。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维石墨烯网状结构负载二硫化钼碳复合纳米材料的制备方法及其应用。该材料由二硫化钼片层颗粒均匀负载到三维石墨烯网络上构成，其制备方法过程简单，可量产，该材料作为电催化析氢反应电催化剂具有良好的性能，应用前景广阔。本发明的技术方案通过以下步骤实现，

一种三维石墨烯网状结构负载二硫化钼纳米材料，其特征在于，该材料为二硫化钼纳米片均匀负载在三维石墨烯网络上，其中二硫化钼纳米片在50-200nm，三维石墨烯厚度为1-10nm，三维石墨烯网络半径在5-50μm，该材料中二硫化钼与总碳量的质量百分比为：(0.4-0.8):(0.6-0.2)。

上述的三维石墨烯网状结构负载二硫化钼纳米材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1).以蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、柠檬酸铵、淀粉中的一种或几种混合为碳源，以四水合仲钼酸铵为钼源，以硫酸钠(Na₂SO₄)为模板，以碳源中的碳与钼源中的钼摩尔比为(10～100):1，以钼源中的钼与Na₂SO₄的质量比为1：(10～100)计，将碳源、钼源和Na₂SO₄加入去离子水中溶解，搅拌配成溶液，再超声混合均匀后；进行喷雾干燥得到前驱体，喷雾温度在105℃～220℃；

(2).将步骤(1)制得的前驱体研磨成粉末，铺于方舟中，置于管式炉恒温区进行煅烧：以N₂或Ar的一种或混合作为惰性气体源，先以流量为200～400ml/min通入惰性气体30-60分钟以排除空气；再以Ar作为载气，将载气流量固定为50～200ml/min，以1～10℃/min的升温速度升温管式炉至650～800℃，保温1-8h进行碳化，反应结束后冷却至室温，得到煅烧产物；

(3).收集步骤(2)制得的煅烧产物，研细，水洗至煅烧产物中没有Na₂SO₄为止，在温度为60～120℃下烘干，得到三维石墨烯网状结构负载二硫化钼纳米材料。

该三维石墨烯网状结构负载二硫化钼纳米材料应用于电催化析氢反应。

本发明具有以下优点：本发明利用廉价易得的原料制备三维石墨烯网状结构负载二硫化钼纳米材料，成本低廉，反应过程简单、可控性强，二硫化钼分散性较好。同时该材料结构均一，形貌优良、性能优异，用于电催化析氢反应具有很好的性能。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的三维石墨烯网状结构负载二硫化钼纳米材料的SEM照片。从该图明显看出三维石墨烯网络形貌。