[发明专利]激光辐照合成介孔氮掺杂石墨烯负载二硫化钼的制备方法及在电催化产氢的应用

说明书

本发明涉及激光辐照合成介孔氮掺杂石墨烯负载二硫化钼的制备方法及在电催化产氢的应用。针对现有合成工艺并不能在低温低压下合成富含碳吡啶氮金属键的过渡金属氧化物/硫化物复合介孔氮掺杂石墨烯以及不能有效调控此复合体系中碳吡啶氮金属键的含量的问题，发现在177～315mJ范围内激光辐照氧化石墨烯可提升复合催化剂中碳‑吡啶氮‑钼键含量，且在水热过程中原料激光辐照氧化石墨烯和四硫代钼酸的质量比为1:1～1:8时可优化二硫化钼在介孔石墨烯上的负载量，从而在提高二硫化钼导电性的同时，界面处碳吡啶氮钼键也可以协同提升其本征活性，促进HER的电催化过程。该发明工艺简单，设计巧妙、安全环保、成本低廉。

技术领域

本发明涉及以激光辐照的氧化石墨烯作为基底，水热合成二硫化钼/介孔氮掺杂石墨烯复合物，利用增加的导电性和暴露的边缘位点以及界面形成的碳-吡啶氮-钼键作为高活性位点来提升电催化产氢性能。特别是涉及激光辐照合成介孔氮掺杂石墨烯负载二硫化钼的制备方法及在电催化产氢的应用。

背景技术

随着传统化石燃料的日趋消耗及其造成的环境恶化的严重，例如：CO₂引发的温室效应，SO₂造成的酸雨污染及PM2.5超标引发的雾霾现象，人们开发利用新的清洁能源变得刻不容缓。在众多清洁能源中，氢能是最受关注的清洁能源之一。电催化水分解和燃料电池的应用是氢气的产生和利用的两大途径，然而在电解水制氢中，关键问题便是节约能耗，降低成本，最大限度地提高产率与效率。传统析氢电极材料是铂系催化剂，其耐腐蚀性强、导电性好和电催化性能优异，但由于价格成本高且机械强度较差，因此，国内外研究者们相继开发了许多非贵金属催化剂。而为了提升这些非贵金属催化剂的性能，我们可以通过形貌结构的设计、掺杂、制造缺陷空位、创造界面等方式来进行改性。为了达到全解水的目的，另一半反应OER通常在碱性环境进行的，因此很有必要制备适用于全pH产氢的催化剂，在这方面Mo基材料很占有优势。

MoS₂因独特的结构特点和合适的吸氢的吉布斯自由能被广泛应用在酸性的HER中，但是由于活性位点少，主要是集中在边缘且导电性较差，大大限制了其应用。通常我们可以从以下三个方面来考虑进行改善：(1)改变MoS₂自身的结构和形貌来增加活性位点的数目。参见：Xie J F,Zhang H,Li S,et al.Adv.Mater.,2013,25,5807-5813。(2)通过金属与非金属掺杂、创造硫空位以制造缺陷来活化MoS₂惰性的基面。参见：Wang H,Ouyang L Y,Zou G F,et al.ACS Catal.,2018,8,9529-9536。(3)将MoS₂生长在导电性好的基底上或与高导电性的纳米材料进行复合。参见：Tan Y W,Liu P,Chen L Y，et al.Adv.Mater.,2014,26,8023-8028。但是，现有的这些制备方法往往从单一的角度对MoS₂进行改性，即目前没有一种方法在不破坏MoS₂内部结构的情况下既可以活化惰性的基面，创造更多的活性位点，同时提高导电性，从而促进其本征活性的提升。