[发明专利]石墨烯负载二硫化钴颗粒复合材料、制备方法及其用途

说明书

本发明公开一种石墨烯负载二硫化钴颗粒复合材料的制备方法，主要步骤包括：配制石墨烯均匀分散在水中的悬浊液；向悬浊液中加入四水合醋酸钴，机械搅拌均匀；向悬浊液中加入乙二胺，机械搅拌均匀；向悬浊液中加入二硫化碳，机械搅拌均匀；将搅拌好的悬浊液倒入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放置在烘箱中进行水热反应，得到石墨烯负载二硫化钴颗粒复合材料。还公开一种石墨烯负载二硫化钴颗粒复合材料，由纯CoS₂物相组成，CoS₂粒径大小约为70‑200nm，在石墨烯上均匀分布。还公开该材料在催化电解水中应用。本发明所需设备较简单、操作方便、条件可控、可重复性高，比较适合宏量制备。

技术领域

本发明涉及一种高效、廉价电解水纳米复合材料及其制备方法和应用，具体涉及一种石墨烯负载二硫化钴颗粒复合材料、制备方法及其用途。

背景技术

近年来，能源危机和环境污染成为限制人类社会发展的两大难题，电解水作为新一代制备氢燃料手段，不仅可以获得高效、清洁、可持续的新型“无碳”能源—氢气，还可以获得应用广泛的高纯氧气。但该过程中存在的过电位较大、动力学缓慢、耗能大等缺点严重制约了电解水的发展。催化剂的加入不仅可以降低氢气、氧气析出的过电位，还可加快反应动力学，大幅提升气体析出速率和产量。目前，铂基材料和贵金属氧化物(IrO₂,RuO₂)分别是析氢(Hydrogen evolution reaction)和析氧(Oxygen evolution reaction)两个反应最好的商用催化剂，但高昂的价格限制了贵金属材料的大范围使用。因此，研究发展储量丰富、价格便宜、催化活性高、稳定性好的非贵金属电解水催化材料具有极其重要的科学意义和实用价值。

在众多的非贵金属催化剂中，过渡金属钴基硫化物因具有成本低廉、资源丰富、活性较高等优势，有望于成为贵金属催化剂的可替代品之一，受到研究者们的广泛关注。在实际应用过程中，为了进一步提高材料的催化活性：一方面，将材料微纳化，形成纳米级别的结构，在一定程度上增加电极材料的电化学活性面积，促进反应的发生。但目前制备金属-硫合金，常用的方法是固相热硫法，此法往往需要经历高温高压热处理过程，不仅能耗较高，而且产物尺寸普遍较大，无法控制得到纳米级材料；另一方面，硫化物的导电性普遍较差，一般的做法是采用添加导电碳的方法来克服其本征电子传导效率低的问题，但这样会引起活性物质的缺失，同时会引发一些副反应，这也是限制其作为电极材料实际应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种石墨烯负载二硫化钴颗粒复合材料、制备方法及其用途。我们提出的制备工艺简单，方便操作，可重复性高；石墨烯原位负载的钴硫化合物粒径大小约为70-200nm，且分布均匀，具备极佳的能源催化应用前景。

本发明第一个技术方案是：石墨烯负载二硫化钴颗粒复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)配制石墨烯均匀分散在水中的悬浊液；

2)向悬浊液中加入四水合醋酸钴，在室温下进行机械搅拌；

3)向悬浊液中加入乙二胺，在室温下进行机械搅拌；

4)向悬浊液中加入二硫化碳，在室温下进行机械搅拌；

5)将其倒入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放置在烘箱中，对其进行水热处理；

6)冷却后水洗样品三次，离心收集产物，然后冷冻干燥。

本发明步骤1)中悬浊液中石墨烯与去离子水的量分别为20-30mg和35-40mL。

本发明步骤2)中四水合醋酸钴的量为0.1-0.2g；搅拌转速为200-800r/min，搅拌时间为5-10min。

本发明步骤3)中乙二胺的量为0.1-0.16mL；搅拌转速为200-800r/min，搅拌时间为10-20min。