[發明專利]MoS2修飾硅納米線陣列光電化學析氫電極及制備方法和基于該電極的電極體系

在審

• 申請號: 201510075596.6
• 申請日: 2015-02-12
• 公開（公告）號: CN104593814A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 喬雷;李艷虹;周明;廖明佳;肖鵬;張云懷;張勝濤;陳剛才;張晟;周志恩
• 申請（專利權）人: 重慶市環境科學研究院
• 主分類號: C25B11/02
• 分類號: C25B11/02;C25B11/04;C25B1/04
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司11275
• 代理人: 趙榮之

技術領域

本發明屬于電化學領域，具體涉及MoS₂修飾硅納米線陣列光電化學析氫電極，還涉及MoS₂修飾硅納米線陣列光電化學析氫電極的制備方法和含有該電極的三電極體系。

背景技術

通過分解水獲得的氫能或碳氫化合物可以作為人類所使用的能源，而采用太陽能分解水來獲得這些能源是一條理想的解決途徑。從熱力學和動力學的角度分析，直接光分解水存在較大阻礙，使這一過程難以在實踐中實現，而成為了全球科研人員攻克的重點。電化學催化劑或光電化學催化劑的介入會大大降低光分解水的動力學阻礙，貴金屬催化劑，其中最具代表性的就是Pt，因其高導電性、低析氫過電位和高穩定性等優點，成為了應用于分解水的熱點催化劑。但規模化商業運行，催化劑的高用量就必須解決成本問題，所以貴金屬的成本成為了限制其商業化進程的根本因素。尋找合適的替代催化劑是多年來科學界一直努力研究的方向。過渡金屬硫化物MoS₂，對于貴金屬而言，就是一種廉價的、儲量豐富的材料，但MoS₂曾被認為不適合于作為析氫材料，因為塊狀結構的MoS₂電析氫效率低。但隨著科技的進步，尤其是納米制備技術的高速發展，這一理論面臨著巨大的挑戰與變革。因此，進一步提高MoS₂析氫性能是替代貴金屬催化劑的有效途徑，能夠降低成本，并且儲量也更為豐富。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的之一在于提供MoS₂修飾硅納米線陣列光電化學析氫電極，通過兩步金屬輔助催化無電刻蝕法制備高度有序且垂直于基底的硅納米線陣列，然后采用熱分解技術直接將前驅反應物硫代鉬酸銨進行高溫缺氧焙燒使MoS₂復合于硅納米線陣列表面，從而提高了硅納米線陣列析氫性能；本發明的目的之二在于提供MoS₂修飾硅納米線陣列光電化學析氫電極的制備方法，該方法制備簡單，便于規模化生產；本發明的目的之三在于提供含有MoS₂修飾硅納米線陣列光電化學析氫電極的三電極體系，該三電極體系能夠直接用于光電化學析氫。

為實現上述發明目的，提供如下技術方案：

基于MoS₂修飾硅納米線陣列光電化學析氫電極，包括導電基底和復合在導電基底上的?硅納米線陣列，所述硅納米線陣列表面復合有MoS₂納米顆粒團簇。

優選的，所述硅納米線整列中單個硅納米線的直徑為200-600納米，長度為5-10微米，各納米線的線間距為0.8-1.2微米。本發明的硅納米線可以保證光生電荷能傳輸至基底形成有效電流。

優選的，所述MoS₂納米顆粒團簇的粒徑為200-500納米，其總表面積相當于硅納米線陣列表面積的40～50％。本發明的MoS₂納米顆粒團簇能夠保持光生電荷有效傳輸到固液界面，同時為氫離子的還原提供的更多的反應活性位點，且不影響基底的吸光。

優選的，所述導電基片為銅片，所述納米線陣列通過導電銀膠與銅基片粘合，所述銅基片外還包覆有環氧樹脂封閉絕緣層。

進一步，所述硅納米線陣列采用兩步金屬輔助催化無電刻蝕法制備，所述MoS₂納米顆粒團簇采用熱分解技術復合于硅納米線陣列表面。

本發明還提供一種制備所述基于MoS₂修飾硅納米線陣列光電化學析氫電極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)制備硅納米線整列：具體包括：

a)硅片清洗：取硅片并依此用去離子水、無水乙醇、丙酮和SPM溶液進行超聲洗滌；

b)沉積催化劑：將清洗后的硅片置于3～5mol/L氫氟酸和1～10mmol/L硝酸銀的混合溶液中反應60～120秒，在硅片表面沉積Ag催化劑；

c)刻蝕反應：將沉積金屬催化劑銀的硅片在3～5mol/L氫氟酸和0.1～0.5mol/L雙氧水的混合溶液中刻蝕反應10～60分鐘；

d)去除催化劑：將刻蝕后的硅片放入硝酸與水的體積比為1:5～1:3的硝酸溶液中反應2～5小時后去除清洗干燥得到硅納米線整列；

2)在硅納米線整列表面沉積MoS₂納米顆粒團簇：具體包括：

a)在硅納米線整列表面滴加適量以二甲基甲酰胺為溶劑的硫代鉬酸銨溶液并于60-80℃烘干；