[发明专利]一种化学连接的非贵金属异质结构复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种化学连接的非贵金属异质结构复合材料及其制备方法和应用，目的是制备出一种替代贵金属催化剂的自然丰富的非贵金属高效电催化剂。本发明的技术方案是：以五氯化铌(NbCl₅)和钼酸铵((NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O)为金属前驱体，以硫脲(CH₄N₂S)和氨气(NH₃)为硫和氮源，与具有丰富含氧官能团的氧化石墨烯进行水热自组装，随后进行冷冻干燥，最后在氨气/氩气气氛下，通过可控的化学气相沉积方法制备出化学连接的非贵金属异质结构复合材料Nb₄N_5‑xO_x‑MoS₂/NG，所述Nb₄N_5‑xO_x‑MoS₂/NG复合材料对HER具有高的电催化活性，在酸性和碱性条件下均具有优异的催化析氢反应性能和良好的稳定性。该催化剂具有电催化析氢性能，其活性高、起始电势低，电流密度大、塔菲尔斜率小、性能稳定等优点。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种化学连接的非贵金属异质结构复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

全球变暖和环境危机日益加剧，不可再生能源消耗不断增加，化石燃料储量迅速衰减，人类未来迫切需要利用清洁、可持续的能源，如太阳能、风能、水能和核能以及其产生的电能。因此，解决新能源的转换和存储问题迫在眉睫。通过经济有效的电催化氢析出反应(HER)来持续生产的氢气可以作为一种清洁和可再生的能源来替代化石燃料。对于HER，贵金属具有优异的电催化HER活性，其析氢起始电位低，但其价格昂贵，难以大规模实际应用。因此，寻找高效、廉价和稳定的催化剂材料具有非常重要的现实意义。

二硫化钼(MoS₂)是一种典型的具有2D层状结构的各向异性材料，由于其优化的氢吸附自由能而已成为铂族金属的有前途的替代品(J.Xie,H.Zhang,etal.Adv.Mater.2013,25：5807-5813)。大量的MoS₂在酸性溶液中不能令人满意，这是因为活性位点的密度低和电传输差。此外，通常MoS₂初始水吸附效率低，并且表面上OH^-的过度结合会导致碱性介质中的HER动力学缓慢，从而严重抑制了氢气的产生。因此，增加活性位点密度，促进了水的吸附和增强本征电导率是提高MoS₂基催化剂电催化制氢的关键。近来，具有协同促进的反应动力学的异质纳米结构由于电子重构受到越来越多的关注。非均相电催化通常涉及从催化剂表面到吸附物质的电荷转移，转移效率主要取决于电催化剂的表面电荷密度(B.You,Y.Zhang,et al.Angew.Chem.Int.Ed.2019,58:11796-11800)。因此，设计将导电的电子给体材料与电子接受的MoS₂半导体兼容地耦合可以导致强烈的电子重组，从而改善杂化物的本征活性。因此，选取一个简单有效的策略制备一种化学连接的非贵金属异质结构复合材料高效电催化剂应用于HER是很有前景的。

发明内容

本发明的目的是提供一种化学连接的非贵金属异质结构复合材料、其制备方法以及作为电催化剂的应用，利用(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O和NbCl₅作为金属前驱体，以硫脲(CH₄N₂S)和氨气(NH₃)为硫源和氮源，采用水热组装和化学气相沉积法合成化学连接的非贵金属异质结构复合材料Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG，所述Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG复合材料对HER具有高的电催化活性，在酸性和碱性条件下均具有优异的催化析氢反应性能和良好的稳定性。