[发明专利]包括金属相二硫化钼层的析氢催化电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及纳米科技和催化剂材料技术的交叉领域，更特别地，涉及一种包括金属相二硫化钼层的析氢催化电极，其能够高效并且稳定地催化析氢反应过程，本发明还涉及制备包括金属相二硫化钼层的析氢催化电极的方法。

背景技术

随着现代工业的迅猛发展，能源危机和环境恶化是目前所面临的两个重大问题。氢能，作为一种可再生、无污染的绿色能源，具有高燃烧值、使用范围广、可存储、可运输等优点。因此，发展一种高效、低成本的制氢技术具有重要的社会意义和经济效益，同时发展氢能源也是人类从根本上解决能源与环境问题的最为理想的方案之一。

在目前的众多制氢技术中，电催化分解水制氢是应用最广泛的方法之一，其工艺过程简单、无污染，而且所需电能可以来自太阳能、风能、水能、潮汐能等绿色能源发电所产生，因此是一种较为理想的制氢技术。早期用于电解水制氢的阴极材料主要以贵金属及其合金为主，其中Pt是目前公认的最好的析氢催化剂材料。然而，由于贵金属的昂贵价格，导致其无法大规模地推广应用。因此，急需一种成本较低，而同时也具有优异性能的析氢催化剂。

二维材料在近几年得到了迅速发展，其奇特的电、化学和物理性质已经逐渐为人们所知。其中，二硫化钼是一种典型的二维层状材料，层与层之间通过范德瓦尔斯作用力彼此结合，层内的Mo和S通过共价键彼此结合。常见的二硫化钼的相有2H和1T相，其中2H相通常表现出半导体特性，而1T相则具有金属性。为了描述方便，下面将2H相称为半导体相，而将1T相称为金属相。块体的二硫化钼材料的析氢催化活性很低，但是纳米结构的二硫化钼却能表现出良好的催化活性(参见文献1)，这是因为二硫化钼边界对氢质子具有与Pt相似的电子结合能，从而使得氢反应在二硫化钼边缘的吉布斯自由能可以与最高析氢催化活性的Pt相媲美(参见文献2)。因而，二硫化钼析氢催化电极具有过电位低、性能稳定、成本低廉、抗腐蚀性强等优点，这些特性都预示着二硫化钼在大规模电催化制氢中的广泛应用前景。

目前，已经有一些利用二硫化钼制备析氢催化阴极材料的报道，主要包括：一、采用传统的水热法制备二硫化钼纳米材料，再将其分散到导电载体；二、在导电衬底上，采用物理气相沉积或含硫气氛中退火的方式制备纳米结构的二硫化钼；三、化学液相法制备二硫化钼与其他物质的杂交复合材料并固载。但是上述方法在制备以及电催化制氢的过程中都面临着不少问题，如材料合成方法复杂且不可控；二硫化钼固载化的载体及方法不当使得载体与活性组分之间电子转移能力差；无法实现对二硫化钼在纳米尺度下的结构和性质进行调控，表面活性位点缺乏，电荷转移慢；二硫化钼与载体之间结合力弱，电催化反应过程中易脱落，无法具有较高的稳定性，等等。

因此，需要提供一种新的基于二硫化钼的析氢电极，其能够容易地制备，并且能够稳定高效地催化析氢反应过程。

非专利参考文献：

参考文献1：Jaramillo T.F.,Jorgensen K.P.,Bonde J.,et al.Identification of active edge sites for electrochemical H2 evolution from MoS2nanocatalysts[J].Science,2007,317:100-102.

参考文献2：Hinnemann B.,Moses P.G.,Bonde J.,et al.Biornimetic hydrogen evolution:MoS2 nanoparticles as catalyst for hydrogen evolution[J].Journal of the American Chemical Society,2005,127:5308-5309.

发明内容

鉴于此，本发明提供一种新型的包括金属相二硫化钼层的超薄析氢催化电极。利用二硫化钼可调的氢原子结合能、丰富的晶体结构和形貌，对二硫化钼层进行相变处理，得到的金属相提高了二硫化钼催化剂的导电性能。而采用等离子体气相沉积制备的纳米石墨烯与金属相二硫化钼之间产生的以电荷转移为基础的协同促进作用，进一步实现了更低过电位、更高催化性能以及更加稳定耐久的催化剂结构。同时，利用超薄层状电极材料之间的强相互作用力，采用的热释放胶带一步剥离方法，简化制备工艺，提高材料合成的可控性，实现高性能超薄耐久的二硫化钼催化析氢电极。

根据本发明一示例性实施例，一种析氢催化电极包括：导电金属层；位于所述导电金属层上的石墨烯层；以及位于所述石墨烯层上的二硫化钼层。