[发明专利]一种多孔碳担载缺陷化硫化钼电催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于催化和储能材料领域，公开了一种多孔碳担载缺陷化硫化钼电催化剂及其制备方法。将单糖和间苯三酚与氧化石墨烯在醇水混合溶剂中反应，产物经冷冻干燥，然后在700～900℃温度下碳化处理，浓硝酸加热浸渍处理，得到功能化多孔碳；将钼酸铵和硫脲及功能化多孔碳在水中升温至180～240℃保温反应，得到多孔碳担载硫化钼；将多孔碳担载硫化钼与红磷混合，然后在氢气和氩气的混合气氛及600～900℃温度下碳化处理，得到多孔碳担载缺陷化硫化钼电催化剂。本发明制备方法所用原料廉价易得，所得产物中MoS₂纳米片呈现花瓣状垂直生长在多孔碳基底上，具有更多的边缘活性位点，催化活性高。

技术领域

本发明属于催化和储能材料领域，具体涉及一种多孔碳担载缺陷化硫化钼电催化剂及其制备方法。

背景技术

工业的发展和人类生活水平的提高离不开能源的消耗。由于传统能源的消耗产生较多的碳氧化物、氮氧化物以及酸雨等，对环境造成严重污染。为了解决能源危机和环境污染等问题，开发和利用环保、清洁、低成本、可再生能源系统已逐渐引起人们广泛的关注。氧还原反应和析氢反应在燃料电池、锌空电池和防腐保护等领域起着关键的作用。迄今为止，贵金属基催化剂，包括Pt、Pd、Ru以及它们的合金，由于其起始电位低和塔菲尔斜率小而被广泛用作ORR和HER反应。然而，其存在成本高、储量低和低抗毒性等缺点，阻碍了贵金属催化剂的广泛应用。因此，开发具有高活性、良好的稳定性和廉价的非贵金属基电催化剂对于电解水制氢的发展是迫切需要的。

当前，已有大量的研究工作集中于发展对HER或ORR表现出良好的电催化性能的非贵金属基催化剂，其中过渡金属元素基催化剂的研究较为广泛和成熟，主要有磷化物、碳化物、硒化物、氮化物和硫化物。MoS₂由于具有独特的电子、化学和物理性质，已经被广泛用于超级电容器、锂离子电池、电解水制氢等领域。作为典型的过渡金属硫族化合物，MoS₂是依靠范德华力连接在一起的三个堆叠原子层(S-Mo-S)组成。单层的二硫化钼是一种类似三明治的夹心结构，上下两层是硫原子，加在它们中间位置的一层则是钼原子。每一层的厚度约为0.7nm，层与层之间的间距为MoS₂的晶体结构主要包括1T-MoS₂(四方形对称)、2H-MoS₂(六边形对称)和3R-MoS₂(斜六方面体对称)。实验和计算结果表明，MoS₂的析氢催化活性位点主要来源于硫的边缘，而基面是惰性的。此外，由于存在更多暴露的活性位点，所以纳米尺寸的MoS₂应该比体型更具活性。因此，设计具有更多边缘位点的MoS₂是提高MoS₂基电催化剂活性的可行策略之一。高电导率可以确保催化过程中电子的快速转移，对催化剂的催化活性至关重要。MoS₂由于带隙较大，表现出较差的电导率，会明显限制析氢反应的速率。

碳质材料，例如碳纳米管、碳纤维、多孔碳、碳球、碳纳米片和石墨烯，由于具有高电子导电性、低密度、低成本和易于合成多孔结构等优势，不仅可以直接作为电解水制氢的催化剂，而且也被广泛应用于制备杂化催化剂的优良载体。它可以与其它贵金属或者廉价的金属进行复合，能够形成高催化活性的催化剂。尽管和MoS₂复合的碳质材料已被开发并应用于电化学催化，但同时暴露更多的活性位点和提高稳定性仍是一个重要挑战。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种多孔碳担载缺陷化的硫化钼电催化剂的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的多孔碳担载缺陷化的硫化钼电催化剂。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种多孔碳担载缺陷化的硫化钼电催化剂的制备方法，包括如下制备步骤：