[发明专利]激光诱导石墨烯负载铁掺杂二硫化钴催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种激光诱导石墨烯负载铁掺杂二硫化钴催化剂及其制备方法，涉及双功能电解水催化剂技术领域，所述激光诱导石墨烯负载铁掺杂二硫化钴催化剂包括三维多孔石墨烯基底和负载于所述基底上的Fe掺杂二硫化钴纳米颗粒；本发明通过将LIG和掺铁二硫化钴复合，利用二者之间的协同作用提高导电性进而提高催化剂的稳定性；并且通过铁的掺杂改变电子结构，从而进一步提高催化效率。

技术领域：

本发明涉及双功能电解水催化剂技术领域，具体涉及一种激光诱导石墨烯负载铁掺杂二硫化钴催化剂及其制备方法。

背景技术：

由于传统化石燃料消耗造成的能源危机以及环境污染使得人们越来越关注绿色能源。其中，电解水产氢是受到诸多关注的一种产生清洁能源的技术。电解水反应在阳极发生析氧反应(OER)，在阴极发生析氢反应(HER)，用于产氢和产氧。但是由于氢析出和氧析出反应过程中需要克服过电位，反应动力学缓慢，因此严重阻碍了电解水的效率。为了解决这个问题，人们开发了高性能的催化剂来降低过电位、提高电解水效率。

Pt、Ir/C和RuO₂是目前公认的最先进的HER和OER性能催化剂，这些贵金属催化剂能够有效应用于HER和OER两种反应中，是一种有效的双功能催化剂。但是由于贵金属资源有限，价格高昂，因此严重阻碍了催化剂的商业化使用。因此，现阶段最主要的问题是寻求高性能、低成本以及高耐久性的双功能催化剂。

最近，大量的研究已经表明过渡金属(Co、Fe和Ni)等具有优异的催化性能，过渡金属氧化物、氮化物以及硫化物受到了诸多的研究和关注。其中，过渡金属硫化物由于其高的活性以及稳定性受到了诸多的关注。同时相关的研究已经表明通过杂原子掺杂等手段可以对过渡金属硫化物的电子结构进行调整，进而影响催化过程中的OH^-和H⁺的吸附能来提高催化性能。例如：王(10.1002/adfm.201701008)等通过Se掺杂提高了CoS₂的本征活性使催化剂表现出优异的HER和OER性能；严(10.1021/acsnano.7b05606)等通过DFT计算揭示了通过在Cu₇S₄中进行Co掺杂可以加速Co与Cu位之间的电子转移，从而降低了OER过程中的势垒，提高了本征电催化活性。此外，众多研究已经表明掺Fe可以有效提高过渡金属催化剂性能。但是过渡金属催化剂也存在一些问题，比如导电性低和稳定性差等，这些问题可以利用碳材料复合来解决。

目前，使用碳材料作为载体制备复合催化剂的研究很多，其中石墨烯是受到众多关注的一种碳材料。石墨烯具有大的比表面积以及优异的导电性，因此能够有效影响催化剂活性。另一方面，石墨烯与其他碳材料相比具有良好的稳定性以及快速的电子转移速度，因此石墨烯被视为理想的碳材料载体。目前石墨烯的合成多是采用Hummer法，但是采用激光诱导合成石墨烯的方法方便快捷而且成本很低，此外，采用激光诱导合成过程中温度较高，材料结晶性较好，使得LIG具有优异的导电性，因此LIG被用作基底材料制备复合催化剂。

当今的技术水平制备的石墨烯结晶品质较低，同时导电率需要进一步得到提升，此外生产的石墨烯产量较低，无法大规模生产。同时目前应用于HER和OER的双功能复合催化剂性能仍然无法满足商业需求，需要获得进一步的提升，制备催化剂的方法应尽可能简单，原料来源广泛，能够大规模使用。

本发明通过激光诱导合成三维多孔石墨烯作为基底材料，然后采用水热法将铁掺杂的硫化钴负载在LIG上，制备的催化剂具有优异的HER和OER性能，同时将催化剂分别作为阴极和阳极应用于电解水中也表现出优异的电解水性能。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种激光诱导石墨烯负载铁掺杂二硫化钴催化剂及其制备方法，制备的催化剂能够应用于氢气析出和氧气析出，同时应用于全解水，从而提高产氢效率等。

本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：