[发明专利]一种石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶的制备及其负载二硫化钼电催化剂

说明书

本发明公开了一种石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶的制备及其负载二硫化钼电催化剂，属于无机纳米材料领域。该石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶以质量百分比计，由23.6％～88.9％的石墨烯和11.1％～76.4％碳化硅组成；所用的石墨烯为石墨烯纳米片，碳化硅为碳化硅纳米线。结构为三维连接的碳化硅纳米线生长在石墨烯网络中。密度为5.6mg/cm³～32.6mg/cm³。本发明所采用的石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶的制备方法为原位CVD法，通过硅凝胶裂解产生的一氧化碳和一氧化硅在石墨烯上形核长大，生长成为碳化硅纳米线。通过碳硅键结合，可以在石墨烯和碳化硅之间形成良好的界面，有利于提高材料的导电性和稳定性，该方法工艺简单，有利于大规模生产。

技术领域

本发明属于无机纳米材料领域，特别是涉及一种石墨烯/碳化硅复合气凝胶的制备及其电催化产氢上的应用。

背景技术

石墨烯在纳米材料、生物工程、精细化工方面具有非常重要的应用前景。石墨烯可以为其它纳米材料提供独特的二维支撑体，因为石墨烯独特的物理、化学和机械性能可以制备具有优异性质的复合材料。通常，二维石墨烯材料以粉末状形式存在，其优异的比表面积及导热与导电特性会受到限制，故发展以三维石墨烯骨架为主题的复合材料具有重要的学术价值和广泛的应用前景。碳化硅纳米线作为一种半导体材料，在电催化、光催化上具有非常大的应用前景。由于其本征电导率较低，所以影响电子在其内部的传输，从而影响催化的性能。通过构建石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶，碳化硅纳米线与石墨烯纳米片之间存在节点，碳化硅纳米线自身也存在节点，这些节点既增加了强度，又提升了导电性，而且提供了大的比表面积。

随着化石燃料不断消耗和环境污染日益严重，寻找一种能够替代化石燃料的新能源越来越重要。氢能作为一种清洁、高效、可持续的新能源受到了广泛的关注。通过简单的析氢反应就可以生产氢气，在这个过程中需要催化剂来降低过电位从而减少能量损耗。铂是非常好的电催化产氢催化剂，但是由于其元素丰度低，价格昂贵，很难大规模应用。所以，开发一种高效可持续的催化剂是电催化产氢的关键技术。

二硫化钼作为一种过渡金属硫化物具有成本低、催化性能良好、结构稳定等优势，是一种理想的能够替代贵金属铂作为催化剂的材料。理论和实验的研究表明：二硫化钼电催化产氢的活性位点位于纳米片片层的边缘。但是二硫化钼存在电导率低、纳米片易堆叠、水活化能垒高的缺点。通过与其他纳米材料复合克服上述缺点，可望进一步提高二硫化钼的电催化产氢性能。

石墨烯作为一种二维材料有表面积大、电导率高等优势。2018年，Han及其合作者将石墨烯与二硫化钼复合，显著提高了电催化活性。碳化硅作为一种半导体，具有成本低、稳定性高、无污染等优点。He及其合作者在2012年研究发现，碳化硅可以降低水的分解能，有利于电催化产氢的进行。Wen Dai及其合作者在2019年研究了一种纸状的石墨烯/碳化硅纳米棒复合材料用于导热材料。

当前，未见石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶负载二硫化钼直接应用于电催化产氢的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶及其负载二硫化钼电催化剂的制备方法，该石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶的结构为三维石墨烯气凝胶中生长大量的碳化硅纳米线网络；该催化剂的微观结构为石墨烯纳米片上负载碳化硅纳米线，碳化硅纳米线负载大量的二硫化钼纳米片，可用于电催化析氢反应，具有催化活性高、催化性能稳定等优点，该电催化剂的制备方法简单，原料来源广泛，成本低廉，有利于大规模生产应用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶，其特征在于，该复合气凝胶以质量百分比计，由23.6％～88.9％的石墨烯和11.1％～76.4％碳化硅组成；