[发明专利]一种铁原子掺杂诱导1T-MoS2

说明书

本发明公开了一种铁原子掺杂诱导1T‑MoS₂/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。制备方法如下：将一定摩尔比例的钼源、硫源，分散溶解于一定体积的石墨烯分散液中。铁源溶液在磁力搅拌的作用下逐滴缓慢加入，在磁力搅拌和超声的作用下，形成均匀混合溶液。将混合溶液转移至聚四氟乙烯高压反应釜中，高温下一步水热反应得到铁原子掺杂诱导1T‑MoS₂/石墨烯复合材料。本发明所制得铁原子掺杂诱导1T‑MoS₂/石墨烯复合材料，结构为十到几十片1T‑MoS₂纳米片堆积而成三维球状纳米花，均分分散在石墨烯基底上，复合材料孔隙丰富，表面积大，1T含量高，导电性好，结构稳定，具有优异的电解水析氢活性和良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电化学催化材料技术领域，尤其是涉及一种铁原子掺杂诱导1T-MoS₂/石墨烯复合材料的制备方法及其在电催化分解水制氢中的应用。

背景技术

世界范围内严重的环境污染和能源危机激发了人们对可持续能源的广泛关注，包括能源供应、能源储存和清洁能源技术等。氢气作为一种可持续、清洁的能源，因其具有零排放和高能量密度的特点已经显示出巨大的优势，它可以克服其他可再生能源(太阳能、风能等)的间歇性供能的问题。目前，获得氢能的方法包括化石燃料化学处理、电化学分解水制氢、植物和微生物制氢、废物分解等。其中电化学分解水是一种清洁、高效、不排放任何污染气体的制氢方法，引起了广泛的关注。析氢反应(HER)是电化学分解水的一项重要技术，制氢过程通常需要高性能电催化剂的辅助。铂和钯作为稀有贵金属，已经被证明是最有效的催化剂。然而高稀缺性和高成本限制了它们的大规模应用，因此开发新型高效催化剂来替代传统的贵金属基催化剂是大规模应用氢能的关键。

近年来，许多非贵金属催化剂，包括金属氧化物、碳基材料、二维材料如石墨烯、二维过渡金属二卤族(TMDs)等，已经被探索用于替代铂基催化剂，特别是MoS₂，因其吸附氢原子的吉布斯自由能接近铂族金属的吉布斯自由能，被作为一种有前景的析氢催化剂而广泛研究。然而开发高效、可扩展的MoS₂电催化剂，依然面临着重大挑战。研究表明，根据MoS₂中硫原子的不同排列方式，MoS₂有两种不同的结晶相：常规的2H相(三角棱柱结构)具有半导体性质，带隙在1.3-1.9eV之间，而1T相(八面体结构)是金属导体，电导率比2H相高10⁷倍，因此1T-MoS₂表现出更快的电子和电荷注入/转移特性，从而具有更好的催化活性。尽管金属1T-MoS₂因其高导电性而非常适合催化水的电化学制氢，但通过普通的化学或物理方法很难大规模生产稳定的1T-MoS₂。近年来，人们在提高MoS₂催化性能方面做了大量的工作，包括减小催化剂的尺寸、构建活性中心丰富的纳米片、形成多孔结构、掺杂杂原子、相工程、耦俣导电基底等。一般来说，催化剂的性能主要取决于催化剂本身的性质。因此，调节本征电子/相结构是高活性催化剂的有效策略。目前，杂原子掺杂已被广泛研究用来调节MoS₂性能，在调节电子结构和暴露活性位点方面具有积极的作用，从而极大地提升了二硫化钼的催化性能。但在调节MoS₂晶型结构方面的专利报道较少，并且多应用于超级电容器和能量存储等方面。例如发明专利201910016729.0公开了一种锡掺杂诱导合成混相二硫化钼-小球藻衍生碳复合材料制备和应用，所述方法中将一定原料质量份配比的小球藻、钼源和锡源，加入去离子水中，快速搅拌6-24h；离心后沉淀物进行烘干，得到墨绿色块状固体；将所得墨绿色块状固体称重后加入硫粉进行混合，在Ar95％/H₂5％气氛管式炉中煅烧，得到黑色固体1T-2H混相二硫化钼-小球藻衍生碳复合材料将其用作钠离子电池负极材料表现出大容量的储钠特性。发明专利201910627613.0公开了一种碳点掺杂诱导1T相二硫化钼的制备方法以及在能量储存材料中的应用，实验在220℃的高温高压下反应10小时制得的1T相二硫化钼杂化材料展示出良好的电化学性能和催化吸波性能，具有广阔的工业化应用的潜力。