[发明专利]一种碳/二硫化钼-富氮氮化钼复合材料及其制备与电催化析氢应用

说明书

本发明公开了一种碳/二硫化钼‑富氮氮化钼复合电化学催化剂材料，其制备方法包括：首先在吡咯单体的聚合过程中引入MoO₃纳米线，制备表面包覆聚吡咯的MoO₃纳米线；然后在溶剂热反应条件下，促进内核MoO₃纳米线溶解并与硫脲反应，在中空聚吡咯纳米管表面垂直成长二硫化钼纳米片，再进行热氮化，中空聚吡咯纳米管转化为中空碳纳米管，MoS₂纳米片转化为MoS₂‑Mo₅N₆，得到中空碳纳米管表面原位生长的莫特‑肖特基异质结复合材料。本发明所得复合电化学催化剂材料可有效促进界面间的电子交互作用，提升催化析氢反应动力学速率，并有效提升MoS₂基平面的催化活性；且涉及的制备方法较简单，操作方便，适合推广应用。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种碳/二硫化钼-富氮氮化钼复合电化学催化剂材料及其制备与电催化析氢应用。

背景技术

氢燃料被认为是最清洁的可再生能源，是未来能源供应中化石燃料的主要替代品。到目前为止，在常用的产氢路径中，利用电化学催化方法分解水产氢具有简单高效、产氢纯度高等优势。同时这种方法也能很好地与可再生能源结合，实现清洁能源的高效储存与转化。然而，电催化产氢中过电位大，导致能耗高和效率低。为降低驱动电解水反应所需要的电能，使用相应的催化剂来降低表面反应过电位是最有效的手段。铂基催化剂是目前公认的最有效的产氢催化剂，但是贵金属铂储量小、价格昂贵，限制了其在电解水制氢中的大规模使用。因此，开发廉价高效的产氢催化剂具有重大意义。

二硫化钼，作为一种具有层状结构的过渡金属化合物，由于其边缘暴露的活性位点，在电催化、电子和能量采集领域具有巨大的潜力，但由于其活性位点多分布在边缘位置，其基平面反应活性为惰性，而且导电性低，到时催化性能差；通常需进一步采用诱导相转变、引入杂原子、构造异质界面等方法对二硫化钼基平面进行改性以获得更为优异的催化性能。

CN201810301761.9中公开了一种催化剂用二硫化钼及其制备方法和应用，该方法将二硫化钼原料置于含水蒸气气氛下加热反应，通过水蒸气的刻蚀作用，在二硫化钼平面上产生硫缺陷以大幅提高二硫化钼的催化活性；但所得产物的催化氢析出效率较低。CN201810117506.9中公开了一种利用化学气相沉积制备金属性过渡金属硫化物纳米片阵列的方法；利用多孔金作为生长基底，单质硫和过渡金属氯化物为前驱体，单质硫、过渡金属的氯化物和多孔金分别加热至不同温度保温一定时间后，得到相应催化剂产物；但该方法的制备成本过高且单一硫化物催化剂过电位较高，催化效率不足。CN202110140903.X中公开了一种氮掺杂球型石墨烯负载片状二硫化钼催化剂的制备方法，该方法同样存在催化析氢效率低等问题，无法适应工业水平的大电流密度电解水产氢。上述报道MoS2依然存在着催化产氢效率低、催化能耗较高等问题，同时无法适用于工业水平的大电流密度电解水产氢。因此，开发出一种简单、高效、稳定性好的二硫化钼基电解水产氢催化剂，已成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种碳/二硫化钼-富氮氮化钼复合电化学催化剂材料，通过部分氮化的方式对水热合成的二硫化钼进行改性，在二硫化钼反应惰性的基平面内生成具有强吸附性与较强催化活性的富氮氮化钼相，构成具有高效催化活性的异质结催化剂；且涉及的制备方法较简单、适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种碳/二硫化钼-富氮氮化钼复合电化学催化剂材料，它包括具有中空纳米管结构的碳基体以及垂直于其轴向原位生长的片状MoS₂/Mo₅N₆，其中MoS₂和Mo₅N₆形成异质结；富氮相Mo₅N₆对电化学过程中产生的活性中间产物有更强的吸附能力，其富氮特征也可带来更优秀的化学稳定性；这种两相界面构造，可显著提升二硫化钼基平面的催化活性和反应动力学。