[发明专利]一种简易宏量制备石墨烯分散的钼基硫化物催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种简易宏量制备石墨烯分散的钼基硫化物催化剂的方法。

背景技术

随着化石燃料的不断开采和消耗，全球化石燃料的储量越来越少，能源危机越来越严重。同时，化石燃料燃烧排放的温室气体和其它有毒有害气体给生态环境也造成了严重的破坏。因此，寻找一种清洁、可再生的能源显得尤为重要，氢能因此受到人们的广泛关注，这也使得如何高效地获得氢气成为了当前研究的一个重要课题。目前，氢气的大规模获得主要通过甲烷的水蒸气重整，但是甲烷是不可再生资源，而且重整产生的二氧化碳会带来温室效应等一系列问题，所以需要寻找其它的替代途径。地球上的水资源丰富，并蕴藏了大量的潜在氢气来源，目前，对从水中获得氢的研究主要集中在两个方面：一是通过光催化分解水制氢，但是太阳光非常分散，并且目前的技术手段对光的利用率非常低，所以该方面的研究目前还处于基础研究阶段，离实际应用还有很远的距离；另一种就是通过电解水来制氢，目前，我国电能来源丰富，尤其是出现了很多闲置的电能，如水电站在丰水期时很多电能不能及时被利用而废弃，此外，在一些风力发电站，风力旺盛的季节，也会出现很多的闲置电能，因此，如果能够将这些闲置的电能用来电解水制取氢气，就可以将电能间接地储存起来。目前对于电解水的研究已经引起了政府和研究学者广泛的关注（M.S.Dresselhaus,I.L.Thomas,Nature414,332(2001);N.S.Lewis et al.,Chem,Rev.110,6446(2010)）。

电解水制氢关键技术是寻找高效的催化剂。传统的贵金属铂基催化剂被认为是目前催化电解水制氢最好的催化剂，几乎不存在过电位（J.K. et al.,Nat.Mater.5,909(2006)）。但是，铂的价格昂贵而且储量有限。因此，迫切需要开发一种能够替代铂的、高效的非贵金属催化剂。研究发现钼基硫化物是一种很好的电解水析氢的非贵金属催化剂（J.K. et al.,J.Am.Chem.Soc.127,5308(2005);I.Chorkendorff et al.,Science317,100(2007)），很有可能在电解水领域成为铂的替代物。然而，目前这类催化剂电解水的效率和铂相比还是有一定的差距，此外，获得这类催化剂的方法中经常需要超高真空过程（I.Chorkendorff et al.,Science317,100(2007)）、或需要高温处理（H.J.Dai et al.,J.Am.Chem.Soc.133,7296(2011)）、或硫化过程需要用到有毒气体H₂S（T.F.Jaramillo et al.,Nano.Lett.11,4168(2011)），这些复杂的过程制约了该类催化剂的简易、宏量制备。因此，利用简易的方法开发高效的电解水制氢钼基硫化物显得尤为重要。研究发现，如何很好地分散和稳定钼基硫化物是提高其催化性能的关键。石墨烯自2004年被首次剥离以来，其奇异的物理化学特性已经引起了广泛的关注（K.S.Novoselov,A.K.Geim et al.,Science,306,666(2004);R.B.Kaner et al.,Chem.Rev.,110,132(2010)），尤其是利用石墨烯的高比表面积有可能实现钼基硫化物的高度分散。另外，石墨烯优异的导电特性有利于催化剂在电催化过程中实现电子的快速传递。因此，可以采用石墨烯来分散和稳定钼基硫化物催化剂以提高其催化性能。

基于此，我们开发了一种简易宏量制备石墨烯分散的钼基硫化物催化剂的方法，即在还原剂的辅助下通过直接球磨石墨烯和钼基硫化物前驱体来制备高分散的石墨烯负载的钼基硫化物，该催化剂在电解水析氢中显示了优异的催化性能。此外，本方法合成的催化剂还有望在加氢脱硫等涉氢的传统多相催化中有潜在的应用。

发明内容

本发明公开了一种简易宏量制备石墨烯分散的钼基硫化物催化剂的方法。具体地说，该方法通过直接球磨石墨烯、钼基硫化物前驱体和还原剂一步得到催化剂，通过改变原材料间的比例、球磨的时间、转速和能量可以有效调变催化剂的活性。

一种简易宏量制备石墨烯分散的钼基硫化物催化剂的方法：

（1）将石墨烯、钼基硫化物前驱体、还原剂与球磨球在惰性气体保护下密封至球磨罐中；

（2）将（1）中的球磨罐置于行星式球磨机上球磨5-60小时；

（3）将样品与球分离、抽滤、干燥即得到催化剂。

所述石墨烯可以是纯的石墨烯、氧化石墨烯、氮掺杂石墨烯、硼掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯中的一种或两种以上；