[发明专利]一种二硫化钼纳米片@硫化钴纳米颗粒复合电催化剂的制备方法

说明书

本发明提供一种二硫化钼纳米片@硫化钴纳米颗粒复合电催化剂的制备方法。首先，在基底表面水热生长Mo‑S或Co‑Mo‑S纳米片阵列；再将钴盐溶于挥发非水溶剂，并涂布到Mo‑S或Co‑Mo‑S纳米片阵列表面；最后，将样品放在S气氛中进行硫化钴纳米颗粒的原位沉积。在室温下碱、中、酸性电解液中，达到10 mA cm^‑2过电位所需过电位在~50 mV附近；对于碱、酸性电解液，达到600 mA cm^‑2所需过电位在~200 mV附近。该性能非常接近在大的电流密度工作时甚至超越商用Pt颗粒。对于OER，在室温碱性电解液中，达到10 mA cm^‑2和100 mA cm^‑2所需过电位分别在~220 mV和~330 mV。

技术领域

本发明涉及原位复合电极及其制备，属于能量存储和转换材料与器件领域。

背景技术

能源消耗问题是制约世界发展的瓶颈问题。随着传统化石燃料的日渐枯竭，能源短缺和全球环境污染问题变得日益严峻。为缓解这类问题，发展高效经济和可再生的绿色能源显得极为追切。氢能由于具有高能量转换效率，清洁可再生，零碳排放等优点，被视为是一类高效的新型能源载体，其中电催化分解水（水分解为氧气和氢气析出）被认为是最具有工业化应用潜力的方式之一。目前，性能最高效的析氢反应(HER)催化剂仍为铂基材料，性能和稳定性俱佳的析氧反应(OER)催化剂为氧化钌或氧化铱，但贵金属昂贵的价格、稀有的储量严重限制了其大规模商业化应用。因此，寻找和制备无污染、价格低源、稳定高效的非贵金属基材料成为电催化分解水领域的重要研究方向。

二硫化钼是一种类似石墨的二维层状过渡金属硫化物，层内由S-Mo-S三个原子层以共价键连接，S-Mo-S层间以范德华尔键结合。因其具有耐酸碱的良好稳定性和一定地对氢气析出反应（hydrogen evolution reaction, HER）的电催化活性而受到广泛关注。研究表明，二硫化钼的活性位点位于层边缘。因此，制备垂直于基底或载体生长的二硫化钼纳米片将能充分暴露绝大部分层边缘。然而，二硫化钼层边缘在碱性和中性水溶液中的HER催化性能仍较差。针对这一问题，密度泛函理论计算和相关报导指明：将对氢质子或水分子中氢原子有较强吸附特性的二硫化钼与对氢氧根或水分子中氧原子有较强吸附特性的其它材料组成异质结，异质结界面将协同提高二硫化钼基复合材料的HER和OER催化性能。例如，KeFan等人制备了NiS₂与MoS₂组成的纳米棒，这种复合材料较纯的NiS₂与MoS₂在碱性水溶液中的HER和和OER性能都大幅度地提高(ACS Catal., 2017, 7, 6179.)；Mingliang Du等人制备了Co₉S₈@MoS₂/碳纤维（CNFs）的复合材料较未复合的Co₉S₈/CNFs和MoS₂/CNFs在碱性水溶液中的HER和OER性能亦大幅度地提高(Adv. Mater. 2015, 27, 4752.)。

硫化钴的类型很多，包括CoS、CoS₂、Co₃S₄、Co₄S₃、Co₉S₈、Co_1-xS等，硫化钴因具有类似的化学组成，其中的Co原子对氢氧根或水分子中氧原子有较强地吸附特性。因而，二硫化钼与其它硫化钴的复合材料亦将具有优异的协同催化氢析出的能力。

发明内容