[发明专利]弹簧状硫化钨超结构的制备方法及其应用

说明书

电化学涉气反应的速率受气泡的影响巨大，尤其在高电流密度下，气泡的脱附成为限制催化性能的关键因素。本发明公开了一直通过设计催化剂的超结构来促进气泡脱附的方法。利用溶液相调控策略，制备出了纳米片组装的弹簧状超结构。这种超结构具有较小的杨氏模量，具有易型形变的特定，在催化反应的过程中，受电解质运动、气泡运动等因素的作用下，可发生较大的形变，从而驱动气泡的脱附，最终实现催化性能的提升。

技术领域

本发明涉及半导体纳米材料技术领域,更加具体地说，涉及弹簧状硫化钨超结构的一种普适性制备方法及其应用。

背景技术

电解水可以将太阳能和风能等可再生能源转化为高能量密度的氢气，但是由于阴极和阳极动力学缓慢，降低了产氢效率。贵金属(铂、铱、钌等)是加速这两个半反应的最佳选择，但是由于储量少、成本高，其实际应用受限。虽然非贵金属材料也具有一定的电催化活性和稳定性，但是难以满足工业生产中大电流密度电解水对催化剂的要求。因此，开发大电流密度下具有超高活性和超高稳定性的非贵金属催化材料对于电解水制氢工业的发展具有重大意义。

与低电流密度的情况相比，在大电流密度下，大量气泡覆盖电极表面，严重阻碍了活性位点的暴露、电荷以及质量转移。大电流密度下的高效析氢需要更大规模的电荷和质量传递。为了加速气泡的分离，需要催化剂具有较粗糙的表面和足够多的气泡通道，以减少气泡与电极之间的接触面积，从而加速气泡脱附。工业上通常采用机械搅拌、较高的电解液浓度和较高的反应温度来提高催化效率，这对催化剂的机械和化学稳定性提出了更高的要求。

发明内容

本发明目的在于通过设计催化剂的弹簧状超结构来促进气泡脱附的方法。利用溶液相调控策略，制备出了纳米片组装的弹簧状超结构。这种超结构具有较小的杨氏模量，具有易型形变的特定，在催化反应的过程中，受电解质运动、气泡运动等因素的作用下，可发生较大的形变，从而驱动气泡的脱附，最终实现催化性能的提升。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

过渡金属硫属化物弹簧状超结构纳米片的制备方法，按照下述方法进行制备：

步骤1，均质前驱体液的配制

将本不溶于乙醇的六氯化钨、硫粉（或硒粉）加入有机溶剂中，在匀速搅拌下向其加入辛胺，在保证乙醇不挥发的情况下，待其固体无机物全部溶解，以得到有机-无机均质前驱体液；

步骤2，溶剂热法制备过渡金属硫属化物弹簧状超结构纳米片

将步骤1的均质前驱体液转移至高压釜中，密封条件下于200-240°C下反应24-48小时。

在所述步骤1中，匀速搅拌的速度为200-400转/分钟，通过封口膜或玻璃塞使乙醇在搅拌过程中减少挥发。

在所述步骤1中，加入六氯化钨、硫粉时，六氯化钨与硫粉的摩尔比为1:3，其中W:S摩尔比为1:3。

在所述步骤1中，加入乙醇和辛胺时，乙醇和辛胺的体积比为(0.8-1):1。

在所述步骤1中，选择硒粉提供硫属元素，六氯化钨与其的摩尔比为1:3，其中W:Se摩尔比为1:3。

在所述步骤2中，反应温度200-240°C下反应24-48小时。

在本发明的制备方法中使用的高压反应釜一般采用以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢反应釜。

利用本发明的制备方法制备的过渡金属硫属化物弹簧状超结构纳米片表现为由纳米片自组装而成的三维弹簧状形貌，长度在1 μm以上，平均直径为200 nm。制备的弹簧状超结构纳米片作为催化产氢材料的应用，将过渡金属硫属化合物梭形纳米管干燥后，负载在导电基底进行电催化产氢性能测试。