[发明专利]一种垂直于基底生长的磷化钼纳米片阵列结构的制备方法

说明书

本发明涉及一种垂直于基底生长的磷化钼纳米片阵列结构的制备方法，属于材料制备技术领域。在本方法中，首先通过简单热蒸发三氧化钼和硫粉，直接在耐高温导电基底上生长出高纯度、高密度、高结晶性的、垂直于基底的二硫化钼纳米片阵列结构前驱体；然后，通过热蒸发红磷，磷化所得MoS₂纳米片阵列结构前驱体，最终得到了垂直于基底生长的MoP纳米片阵列结构。该方法具有设备和工艺简单、工艺参数可控性强、产量大、成本低及环境友好等优点。所获得的MoP纳米片阵列结构具有密度大、纯度高、结晶性好、形貌和组成可控等特点，可以直接用作电催化制氢的自支撑工作电极，无需后处理，且过电位低、Tafel斜率小，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种垂直于基底生长的磷化钼纳米片阵列结构的制备方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

近二十年来，全球环境恶化和能源危机等问题迫使人们对绿色能源进行广泛探索，其中氢气是目前公认的最有希望成为未来人类所使用的清洁能源之一。氢气具有燃烧值高，燃烧产物(水)无污染等优点；然而，氢气的高效制备难题是限制氢气广泛应用的瓶颈之一。目前，制备氢气的方法很多，其中电解水制氢由于其设备简单、不产生污染、产物纯度高等特点备受关注。作为电解水制氢系统中最关键的一环，电解水制氢催化剂一直是人们研究的重点。目前，贵金属是公认的高效电解水制氢催化剂，如铂、钌、铱等，但这些材料的稀缺性和高成本使得它们无法得到大规模应用。所以，寻求廉价、高效和来源丰富的非贵金属催化剂是当前研究的热点。

过渡金属磷化物是目前被广泛研究的有望代替贵金属材料的高效催化剂。其中，磷化钼(MoP)是代表性材料之一，具有良好的导电性和优异的制氢活性。然而，块状MoP材料的比表面积小、活性位点少，限制了其应用；其有效的解决方法是制备具有纳米结构的MoP材料，从而提高材料的比表面积，增加活性位点，进而增强析氢催化活性(X.B.Chen,etal.Molybdenum phosphide:a new highly efficient catalyst for theelectrochemical hydrogen evolution reaction.Chemical Communications,2014,50(79):11683-11685)。但是，MoP纳米材料电催化剂在制备工作电极时，催化剂通常都要先与导电聚合物粘接剂混合，然后再涂在集流体。这样的电极制作工艺会增加整个系统的串联电阻，并阻碍电解质的充分扩散，从而导致催化剂的催化活性降低。为了克服这些缺点，有文献提出了将活性材料纳米阵列结构直接生长到集流体基体上作为电极的办法，这种独特的自支撑电极可以提升电极整体的导电性，从而提升电催化剂的制氢性能(Y.Teng,etal.Iron-assisted engineering of molybdenum phosphide nanowires on carboncloth for efficient hydrogen evolution in a wide pH range.Journal ofMaterials Chemistry A,2017,5(43):22790-22796)。

另一方面，相较于其他形貌，基于纳米片阵列结构的电催化材料在制氢过程中具有很多优势。例如，一些类石墨烯材料，其纳米片阵列结构具有较大比表面积，这有利于电解质的扩散，从动力学上加快电化学反应的进行；同时，片状结构能够有效地暴露活性位点，提高催化效率；由于纳米片阵列结构有良好的结构稳定性，在电化学反应过程中也有利于保持原有的片层状结构，从而提高电催化剂的稳定性(这也是电催化剂的关键评估指标)。但是，到目前为止，鲜有MoP纳米片阵列结构的报道。

此外，传统的MoP纳米材料的制备办法是液相法，如溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法等。但是，这些液相法的化学反应复杂、难于控制，而且需要复杂的后续提纯除杂等工序，因此产物纯度低，结晶性差，严重影响MoP纳米材料电催化性能的提高。与之相比，以热蒸发为特征的气相沉积法是制备高纯度和高结晶度纳米材料的一种简单、可控的方法，具有制备过程简单、工艺参数可控性强、成本低、可实现工业化大批量生产等特点。