[发明专利]一种垂直生长的二硫化钼阵列电极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种垂直生长的二硫化钼阵列电极材料，其特征在于，所述的二硫化钼为纳米片状结构，所述的电极材料中，二硫化钼垂直生长于基底上。其具体制备方法是在室温下，将氯化钼溶于乙醇，再加入添加剂，得到前躯液；将上述前躯液滴涂或旋涂到基底上，70~100℃下快速干燥，得到前驱膜；中前驱膜于Ar+S气氛中或N₂+S气氛中，经500~900℃烧结10 min~4 h随炉冷却取出即可得到二硫化钼原位电极。利用500~900℃高温，让Ni源、Co源、小分子等添加剂挥发的同时，让Mo元素与S元素结合生成二硫化钼，利用蒸发流垂直于基底这一特点帮助二硫化钼塑性成垂直于基底的阵列。

技术领域

本发明涉及原位电极及其制备方法，属于能量存储和转换新型材料领域。

背景技术

二硫化钼是一种新型的类似石墨的二维层状过渡金属硫化物，层内由S-Mo-S三个原子层以共价键连接，S-Mo-S层间以范德华尔键结合。因其特殊的光电、物理化学特性，二硫化钼能应用于诸多领域，例如加氢脱硫、染料敏化太阳能电池对电极、电解水制氢、传感器、场效应晶体管、锂离子电子和超级电容器等。研究表明电子在二硫化钼S-Mo-S层内电子传输较快，而电子在层间即晶体c轴方向传输较困难，约只有层内的千分之一。研究也表面二硫化钼的活性位点位于层边缘，即Mo边缘或S边缘为催化活性位点，而层内配位饱和的Mo、S原子基本是惰性的。因此，制备垂直于基底生长的二硫化钼（其c轴垂直基底）将具有十分的优势，其一，经基底传输的电子将沿二硫化钼c轴方向传输，电荷传输加快，此外定向生长的二硫化钼能缩短催化反应电子的传输路径；其二，绝大部分Mo边缘或S边缘直接暴露于反应体系，使得二硫化钼的活性位点能被充分高效地利用。

然而，多数情况下，反应体系为降低表面能，所制备的二硫化钼样品平行于基底生长，或二硫化钼片层卷曲成球状颗粒或空性球状颗粒。最近，斯坦福大学的崔毅课题组报道了垂直于基底生长的二硫化钼，所制备的二硫化钼几乎90°垂直于基底，结构非常完整致密。然而，这样二硫化钼电极的制备工艺较复杂，首先用物理方法沉积一层约20 nm的Mo金属膜，再气氛硫化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供另一种原位制备垂直生长二硫化钼阵列的化学气相沉积方法，该方法具有设备要求低、所需原料成本低廉、反应条件易于控制、生产工艺简单、所形成的产品一致性好，环境污染小等优点，对于原位电极的批量生产有重大意义。

为此，本发明提供了一种垂直生长的二硫化钼阵列电极材料，所述的二硫化钼为纳米片状结构，所述的电极材料中，二硫化钼垂直生长于基底上。

进一步优选为所述的二硫化钼的片状结构有20%-80%垂直生长于基底上。

同时本发明提供了一种含Mo盐和挥发添加剂的前躯液成均匀膜后再气氛硫化，制备出垂直于基底生长的二硫化钼阵列的化学气相沉积方法，包括如下步骤：

（1）在室温下，将氯化钼溶于乙醇，再加入添加剂，得到前躯液；该步骤的意义在于：前驱液内几乎无水分子，防止氯化钼水解；反应试剂均匀分散，获得均匀无沉淀的Mo元素与添加剂在原子尺度或分子尺度上均匀混合的前躯液，这为制备均匀垂直生长的二硫化钼打下良好基础。

（2）将上述前躯液滴涂或旋涂到基底上，70~100℃下快速干燥，得到前驱膜；

（3）将步骤（2）中前驱膜于Ar+S气氛中或N₂+S气氛中，经500~900℃烧结10 min~4h随炉冷却取出即可得到二硫化钼原位电极。

所述的添加剂包括氯化镍、氯化铜、双氰胺中的任意一种。

所述的氯化钼的浓度为100~700 mM，添加剂与氯化钼的摩尔比为1：5~25。

所述的步骤（2）中将上述前躯液滴涂或旋涂到基底上，70~100℃于干燥空气中自然干燥或于热台上干燥5-15min，得到前驱膜。