[发明专利]一种由天然琼脂衍生的氮掺杂多孔碳/二硫化钼复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种由天然琼脂衍生的氮掺杂多孔碳/二硫化钼复合材料的制备方法及其应用，催化剂的组分由二硫化钼和氮掺杂多孔碳组成，催化剂具有二硫化钼与多孔氮掺杂碳基质复合的分级结构，二硫化钼锚定在氮掺杂多孔碳上。本发明的催化剂在酸性条件下表现出优异的电解水析氢催化活性和稳定性，有望代替现阶段使用的铂基等贵金属电解水析氢催化剂。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，尤其是一种由天然琼脂衍生的氮掺杂多孔碳/二硫化钼复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

能源供应主要依靠化石燃料，这给我们的社会造成了严重的副作用，例如空气污染和全球变暖。因此，开发清洁和可再生的替代本地能源迫切需要满足社会需求并克服环境问题。其中氢被认为是有效的清洁和可再生能源，因为它可以通过分解水来生产。在水分解过程中，需要有效的催化剂来驱动氢释放反应(HER)。尽管铂(Pt)和Pt基合金对氢气析出反应(HER)表现出最高的电催化活性，但其高成本和少量地壳含量极大地阻碍了它们的实际实现。因此，开发大量，稳定，高效的HER电催化剂是当今面向清洁能源社会未来的广泛科学技术研究的主题。

二硫化钼是一种典型的过渡金属硫化物，具有与石墨烯类似的层状结构。二硫化钼独特的结构和物理化学性质使其在催化、润滑、电子探针、电极材料等领域中有着较广泛的应用。二硫化钼作为加氢、脱硫催化剂，不仅具有较高的催化活性，而且具有较高的抗硫、抗中毒性能。然而，目前二硫化钼基催化剂仍存在一定的问题：(1)基面无活性，只有边缘具有电催化活性，需要增大活性表面积；(2)本征催化活性位点较少，需要引入更多的缺陷或其他活性位点；(3)本征导电性较差，需要导电载体支持。因此，提高二硫化钼电化学性能最好的办法就是引入碳作为基底，来扩大表面积提供更多的活性位点。近来，N、B、S等杂原子掺杂的碳材料由于优异的物理和化学性能吸引了研究者们大量的关注。特别是对于氮原子，N和C原子之间的电负性差异可以提供更极化的界面，从而改善碳材料的亲水性。

CN201510947452.5公开了一种二硫化钼/石墨烯/碳纳米纤维复合材料的制备方法，首先通过静电纺丝制备得到聚丙烯腈纳米纤维膜，经过溶液浸泡法在聚丙烯腈纳米纤维上包裹氧化石墨烯，再通过高温碳化制备得到石墨烯/碳纳米纤维复合膜，最后通过一步水热法在石墨烯/碳纳米纤维上原位生长二硫化钼纳米片。该发明所制备的二硫化钼/石墨烯/碳纳米纤维复合材料是一种复合碳纤维膜材料，其纤维结构中不存在内部孔道，其比表面积较小，能够暴露出的活性点位较少，影响其应用性能。

CN202010074680.7本发明公开了一种用于电解水制氢的少层二硫化钼/氮掺杂多孔碳纳米的复合催化剂，少层二硫化钼锚定在氮掺杂多孔碳上，少层二硫化钼具有3～10层。该发明的催化剂尽管在酸性条件下表现出优异的电解水析氢催化活性，但其多孔碳需要在1000℃下煅烧，存在极大地安全隐患。

CN201711476596.2本发明所述二硫化钼/多孔碳纳米球复合材料以多孔氮掺杂的碳球为核,以二硫化钼为壳层的核壳式结构,复合球的直径在500-600纳米之间,二硫化钼均匀的包覆在多孔氮掺杂的碳球表面,且呈花瓣状。该发明虽然增大了比表面积，但其合成过程过于繁琐且实验条件较苛刻，难以大规模生产。

此外，还发现一篇与本专利内容相关的专利文献，公开号为CN110247063A的中国专利公开一种纳米二硫化钼/氮掺杂碳纳米管阵列杂化复合电极的制备方法，以涂覆导电炭黑层的碳纤维织物为基底，通过化学气相沉积技术在碳纤维基底上可控制备了氮掺杂碳纳米管阵列载体，然后将氮掺杂碳纳米管氧化实现表面功能化，再以化学键的形式牢固结合纳米二硫化钼材料，形成一体化三维平行孔结构双向催化功能的电极材料。本发明载体具有优异的导电性、较高的传质和传荷能力，以化学键结合的纳米二硫化钼材料具有较好的氧电还原及氧负离子电氧化的双向催化活性，降低了氧物种的扩散阻力和离子传输阻力、提高电子导体的电化学活性、结构稳定性，在金属-空气电池、质子交换膜氢燃料电池及直接甲醇燃料电池等电极材料中有广阔的应用前景。