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一種適用于析氫陰極催化劑-氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術 
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產品詳情

本發明涉及綠色能源的技術領域,特別是涉及一種適用于析氫陰極催化劑?氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術,該催化劑的合成技術過程簡單、安全性高、成本低廉,可以快速合成大量氧摻雜的球狀二硫化鉬,具有更多的邊緣活性位點,提高析氫催化活性;(1)把鉬酸鈉、硫脲和二氧化硅溶解在水中;(2)將上述混合液體轉移至反應釜,經過磁力攪拌處理形成均勻的溶液,溶液在密封的反應釜中進行水熱反應;(3)將水熱后樣品分別用氫氟酸和氫氧化鈉處理,得到的產物用去離子水和無水乙醇洗滌多次,干燥過夜,得到不同結構的二硫化鉬。


權利要求書
1.一種適用于析氫陰極催化劑-氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術,其特征在于,包括以下步驟:
(1)把鉬酸鈉、硫脲和二氧化硅溶解在水中;
(2)將上述混合液體轉移至反應釜,經過磁力攪拌處理形成均勻的溶液,溶液在密封的反應釜中進行水熱反應;
(3)將水熱后樣品分別用氫氟酸和氫氧化鈉處理,得到的產物用去離子水和無水乙醇洗滌多次,干燥過夜,得到不同結構的二硫化鉬。
2.如權利要求1所述的一種適用于析氫陰極催化劑-氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術,其特征在于,所述步驟(1)中鉬酸鈉、硫脲和二氧化硅摩爾比為1:2:1~1:2:3。
3.如權利要求2所述的一種適用于析氫陰極催化劑-氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術,其特征在于,所述步驟(2)中樣品混合后磁力攪拌30min,轉移至三個100mL水熱釜,水熱反應溫度分別為160℃、180℃和200℃,由室溫加熱至目標溫度,在目標溫度下維持24h,自然冷卻至室溫,得到黑色粉末即為目標產物。
說明書
一種適用于析氫陰極催化劑-氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術
技術領域
本發明涉及綠色能源的技術領域,特別是涉及一種適用于析氫陰極催化劑-氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術。
背景技術
眾所周知,目前,化石能源在世界能源市場上占據著至關重要的地位,現代能源經濟的加速增長高度依賴于可能日益減少的化石燃料資源。(Energies2015,8,172-216)過量的碳排放已經導致全球溫度升高4℃,這個結果有可能使海平面上升至足以淹沒全球460-760萬人口。(RenewableandSustainableEnergyReviews2018,82,3091–3106)一些研究數據表明,已知的石油儲量預計在34至40年內枯竭,煤炭為106至200年,天然氣為36至70年(EnergyPolicy2009,37,181–189)。這些數據再次激發了人們對可再生能源技術的研究興趣。電化學析氫反應(HER),由于產氫純度高、過程簡單且高效,成為可持續生產氫氣的一種方法。用于電化學析氫反應的催化劑應該降低過電位并提高電化學過程的效率。(Chem.Rev.2010,110,6446)目前,最高效的析氫催化劑是Pt金屬,開發析氫高效、含量豐富、成本低廉的催化劑仍然具有挑戰性。
最近的研究表明,二硫化鉬(MoS2)是一種非常有前景的電催化劑。作為一種典型的二維材料,二硫化鉬由圍繞一個Mo層的兩個S層組成;二硫化鉬片由相鄰S層之間的范德華力相互作用保持在一起。(J.Am.Chem.Soc.,2005,127,5308-5309)計算和實驗結果均證實HER活性源于MoS2的邊緣位點,(Science2007,317,100.)目前,阻礙廣泛使用這種材料的主要影響因素是范德華力的相互作用導致二維材料的堆積,(J.Am.Chem.Soc.,2011,133,7296-7299),這不可避免地減少了活性表面積和活性位點的數量。(Chem.Comm.,2012,48,7687-7689)因此制備具有邊緣暴露的納米化MoS2更有利于析氫反應。Xie(J.Am.Chem.Soc.,2014,136,17881-17888)等人以鉬酸銨和硫脲為原料,低溫合成氧摻雜的二硫化鉬,使(002)面層間距擴展至0.95nm,增加了MoS2的無序程度,產生更多不飽和的S-邊緣位點,提高了析氫活性。過電位達到120mV,塔菲爾斜率為55mV/dec。Deng(Nat.Commun.,2017,8:14430)的團隊以SiO2為模板制備出介孔結構的MoS2。均勻介孔MoS2泡沫(mPF-MoS2)的制備過程:首先,鉬酸銨分子通過濕浸漬法均勻地吸附到膠態SiO2納米球上。然后,硫脲與SiO2表面上的鉬酸銨直接化學反應轉化為MoS2。由于單分散SiO2納米球模板的誘導,MoS2將進一步自組裝成圍繞SiO2納米球的垂直排列的層。最后,可以通過用HF溶液蝕刻SiO2來獲得mPF-MoS2。蝕刻過程不會影響MoS2的結構,因為MoS2不能被HF溶液溶解。制備出的泡沫二硫化鉬增加了材料的活性表面積,顯示了更高的析氫效率。過電位為156mV,塔菲爾斜率為74mV/dec,但是該方法所需要的設備多,方案復雜,造成其生產成本較高。
發明內容
為解決上述技術問題,本發明提供一種適用于作電化學析氫陰極催化劑的制備技術,該催化劑的合成技術過程簡單、安全性高、成本低廉,可以快速合成大量氧摻雜的球狀二硫化鉬,具有更多的邊緣活性位點,提高析氫催化活性。
本發明的一種適用于析氫陰極催化劑-氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術,包括以下步驟:
(1)把鉬酸鈉、硫脲和二氧化硅溶解在水中;
(2)將上述混合液體轉移至反應釜,經過磁力攪拌處理形成均勻的溶液,溶液在密封的反應釜中進行水熱反應;
(3)將水熱后樣品分別用氫氟酸和氫氧化鈉處理,得到的產物用去離子水和無水乙醇洗滌多次,干燥過夜,得到不同結構的二硫化鉬。
本發明的一種適用于析氫陰極催化劑-氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術,所述步驟(1)中鉬酸鈉、硫脲和二氧化硅摩爾比為1:2:1~1:2:3。
本發明的一種適用于析氫陰極催化劑-氧摻雜球狀二硫化鉬材料的制備技術,所述步驟(2)中樣品混合后磁力攪拌30min,轉移至三個100mL水熱釜,水熱反應溫度分別為160℃、180℃和200℃,由室溫加熱至目標溫度,在目標溫度下維持24h,自然冷卻至室溫,得到黑色粉末即為目標產物。
與現有技術相比本發明的有益效果為:(1)本發明采用水熱合成技術,實驗方案相對簡單,容易操作,設備要求不高,能夠較大程度降低生產成本。
(2)本發明制備得到的氧摻雜球狀二硫化鉬材料使(002)層間距由0.64nm擴展至0.95nm,增加二硫化鉬的無序程度,產生更多不飽和邊緣活性位點,具有良好的析氫效率。
附圖說明
圖1為本發明制備實施例1、2中N-M160、M160、M180、M200樣品的X射線衍射圖;
圖2為本發明制備實施例1中HF處理后的H-N-M160、H-M160、H-M180、H-M200樣品的X射線衍射圖;
圖3為本發明制備實施例1中HF處理后的(A)H-M160,(B)H-M180,(C)H-M200,(D)H-N-M160的掃描電鏡圖;
圖4為本發明制備實施例1中HF處理后的樣品(A)LSV曲線,(A)中插圖Tafel曲線,(B)阻抗譜,(C)計時電位曲線,(D)電流密度差與掃描速率的關系圖;
圖5為本發明制備實施例2中NaOH處理后的N-N-M160、N-M160、N-M180和N-M200樣品的XRD圖;
圖6為本發明制備實施例2中NaOH處理后的(A)N-N-M160,(B)N-M160,(C)N-M180,(D)N-M200的掃描電鏡圖;
圖7為本發明制備實施例2中NaOH處理后的樣品(A)LSV曲線,(A)中插圖Tafel曲線,(B)阻抗譜,(C)計時電位曲線,(D)電流密度差與掃描速率的關系圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例,對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明,但不用來限制本發明的范圍。
實施例1:2H-球狀二硫化鉬的制備
取一定量鉬酸鈉、硫脲和二氧化硅依次加入100mL反應釜中,磁力攪拌30min后分別在溫度160℃、180℃和200℃的條件下加熱,自然冷卻,得到的產物用去離子水和無水乙醇洗滌多次,樣品標記為M160、M180、M200。用HF溶液處理得到純的2H相MoS2,分別標記為H-M160、H-M180、H-M200。同時用不加二氧化硅的樣品做對比,在160℃條件下實施相同的步驟,原料只加鉬酸鈉和硫脲。此樣品用氫氟酸處理后標記為H-N-M160,用氫氟酸處理之前標記為N-M160。圖1顯示在2θ=22°左右出現的駝峰可歸因于二氧化硅的存在。160℃下,樣品的(002)面完全擴展至0.95nm,可歸因于氧的摻雜;180℃下,(002)面存在0.95nm和0.65nm兩種結構,說明氧的含量減少;200℃下,(002)面顯示了0.65nm的層間距,生成了2H-MoS2。對比圖2中各樣品的XRD,我們發現二硫化鉬(002)面由0.95nm回到2H-MoS2的0.65nm,在14.2°、33.4°、和59.2°出現的峰分別對應于二硫化鉬的(002)、(100)、(110)面,對照標準卡片(JCPDSNo.37-1492),則產物為2H-MoS2。由于氫氟酸可與氧化物反應,導致Mo-O鍵斷裂,使二硫化鉬恢復到標準的穩定態。在2θ=22°左右消失的駝峰說明二氧化硅被完全清洗干凈。通過圖3可看出水熱法制備出的二硫化鉬是由小納米片堆簇而成的球狀顆粒,不加二氧化硅的樣品(圖3A)團聚現象嚴重,球體大小分布不均勻。經過HF處理后,H-M160、H-M180和H-M200樣品呈獨立均勻規則的球狀結構,H-M160樣品粒徑大約為1μm左右(如圖3B),H-M180樣品粒徑大約在1.3μm左右(圖3C),H-M200樣品粒徑大約在1.5~2μm左右(圖3D)。從上述掃描電鏡圖可總結出規律,隨著溫度的升高,二硫化鉬球體粒徑逐漸增大。二氧化硅的加入可消除團聚作用,將二硫化鉬分散成一個個獨立均勻的球。圖4顯示了H-N-M160、H-M160、H-M180和H-M200樣品的析氫性能。當電流密度達到10mA/cm2時,對應的過電位分別為493mV、317mV、328mV和477mV。在低電位下,H-M160的電流密度大于H-M180。塔菲爾斜率隨樣品水熱溫度的增大逐漸增加,H-M160和H-M180具有較小的斜率。在交流阻抗譜圖4B中,H-M160樣品的半徑最小,具有最低的電荷轉移電阻,促進電子在電極和二硫化鉬之間的傳質傳導,提高析氫效率。通過對比樣品電流密度差隨掃描速率變化的線性回歸曲線斜率的大小,可以粗略估計H-M160樣品具有最大的活性表面積。
實施例2:氧摻雜球狀二硫化鉬的制備
取一定量鉬酸鈉、硫脲和二氧化硅依次加入100mL反應釜中,磁力攪拌30min后分別在溫度160℃、180℃和200℃的條件下加熱,自然冷卻,得到的產物用去離子水和無水乙醇洗滌多次,樣品標記為M160、M180、M200。用NaOH溶液處理得到的氧摻雜二硫化鉬分別標記為N-M160、N-M180、N-M200;同時用不加二氧化硅的樣品做對比,在160℃條件下實施相同的步驟,原料只加鉬酸鈉和硫脲。此樣品用氫氧化鈉處理后標記為N-N-M160,用氫氧化鈉處理之前標記為N-M160。圖5顯示了NaOH處理后不同結構二硫化鉬的XRD圖。N-N-M160、N-M160、N-M180樣品中2θ=8.9°的位置層間距為0.95nm,對應于被擴展的(002)面。N-M180的樣品開始出現了在2θ=14.2°,層間距為0.64nm的衍射峰,該樣品顯示為兩種結構。當水熱溫度為200℃時,樣品0.95nm的層間距完全消失,轉化為0.64nm。由N-M160、到N-M200二硫化鉬(002)面出現的變化可知,氧的含量隨溫度升高而降低。據文獻(JournaloftheAmericanChemicalSociety,2013,135(47):17881-17888)報道,低溫條件下,鉬酸鈉會殘留未斷裂的Mo-O鍵,生成氧摻雜的二硫化鉬,而高溫會使Mo-O鍵斷裂。然而,在XRD的結果看來,200℃的條件下,Mo-O鍵未完全斷裂,在7~8°出現的饅頭峰極有可能是少部分氧的存在。圖6是樣品通過NaOH處理之后獲得的掃描電鏡圖。同樣的,N-N-M160呈現較大的團聚球體,球體不均一,是一些不規則的球狀,由許多小納米片組成,N-M160樣品粒徑大約在1μm以下,開始出現獨立分散的完整球狀形貌;N-M180樣品粒徑在1.3~2μm之間,有明顯的增大;N-M200的樣品粒徑大約1.5μm,球的粒徑隨著溫度的升高而升高。同時,二氧化硅的加入可消除團聚作用,將二硫化鉬分散成一個個獨立均勻的球。圖7中電化學性能測試顯示N-M160具有最小的過電位255mV,最小的塔菲爾斜率45mV/dec和最小的電荷轉移阻抗以及最大的活性面積。以上結果顯示用氫氧化鈉處理之后的樣品,可以保留原有的氧摻雜結構,氧的含量隨溫度升高而減少,二硫化鉬的粒徑隨著水熱溫度的升高而增大,其中,N-M160的球狀氧摻雜二硫化鉬具有最好的析氫活性,氧的存在增加了結構的無序程度,生成更多不飽和Mo原子和S原子,增加了活性位點,提高析氫效率。
以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明技術原理的前提下,還可以做出若干改進和變型,這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。