[發明專利]一種充分暴露二硫化鉬活性位的催化析氫電極的構筑方法

有效

• 申請號: 201811060369.6
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109183058B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 陳金菊;李培真;馮哲圣;王焱;陳龍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/06;B41M5/00
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司 51230
• 代理人: 蔣秀清;李春芳

本發明屬于二維材料制備以及催化析氫技術領域，具體涉及一種充分暴露二硫化鉬活性位的催化析氫電極的構筑方法。針對現有的二硫化鉬納米薄片催化析氫活性位點豐度低的問題，本發明的技術核心包括以下幾點：[1]利用印刷法固載二硫化鉬，構筑三維催化析氫電極；[2]摻入表面活性劑聚乙烯吡咯烷酮，輔助剝離二硫化鉬，并阻止二硫化鉬納米薄片的重團聚；[3]摻入還原氧化石墨烯為二硫化鉬納米薄片的分散提供錨點，進一步阻止二硫化鉬納米薄片的堆疊；[4]選用具有高表面粗糙度的載體作為電極基底。本發明適用于常溫下酸性溶液中的催化析氫反應。

技術領域

本發明屬于二維材料制備以及電催化析氫技術領域，具體涉及一種充分暴露二硫化鉬活性位的催化析氫電極的構筑方法。

背景技術

傳統的化石燃料由于嚴重的環境污染問題以及燃料的不可再生性，正逐漸被新型可持續能源取代。氫能作為一種高效清潔的能源載體，被當作傳統化石燃料的理想替代者。然而氫氣的生產低效以及生產工藝的復雜性都制約著氫能源的發展。

電解水制氫被認為是可持續獲取氫氣的重要途徑，高效電催化析氫材料的設計是關系到這一技術能否實現的關鍵。當前，電解水制氫領域的核心任務是解決高制氫效率與低催化成本之間的矛盾，從而發展高效、經濟、綠色的制氫催化劑及相關工藝，以取代資源有限、造價昂貴的金屬鉑催化劑，實現能量的低成本轉化。

作為一種類石墨烯二維材料，二硫化鉬具有類似于金屬鉑的氫吸附自由能，能夠在強酸性溶液中穩定存在且資源豐富，有望取代傳統貴金屬析氫材料。研究(Anders B L,Soren K,Soren D,et al.Molybdenum sulfides-efficient and viable materials forelectro-and photoelectrocatalytic hydrogen evolution,EnergyEnvironmentalScience,2012,5:5577)表明二硫化鉬的催化活性位點位于晶面的邊緣處，因此增大二硫化鉬的邊緣暴露面積成為提升其催化析氫性能的一個重要途徑。目前其催化活性位點的暴露還存在諸多問題，主要表現在：(1)二硫化鉬的類石墨烯片層尺寸較大，極不利于其邊緣活性位點的暴露；(2)二硫化鉬納米片層之間由于范德華力作用而易發生再堆積，從而降低了析氫活性位點的豐度；(3)二硫化鉬的固載化方式單一，可暴露更多活性位點的空間結構設計手段匱乏。

發明內容

針對現有的二硫化鉬片層尺寸大、片層間易堆積及可暴露更多活性位點的空間結構設計手段匱乏問題，本發明提供一種充分暴露二硫化鉬活性位的催化析氫電極的構筑方法。其目的在于：通過加入表面活性劑聚乙烯吡咯烷酮有效促進體材二硫化鉬的剝離，減小片層的徑向尺寸，并阻止二硫化鉬納米片層的堆疊；加入還原氧化石墨烯，提供片層二硫化鉬的分散錨點，進一步阻止二硫化鉬納米片層的堆積；采用具有高表面粗糙度的電極基底，有效增大電極比表面積，從而提高催化活性位點的數量；利用數字化印刷技術可方便進行圖案化的優勢，形成催化析氫活性物質的三維立體圖形化結構，進一步提高活性位點的暴露數量。

本發明采用的技術方案如下：

一種充分暴露二硫化鉬活性位的催化析氫電極的構筑方法，其特征在于，包括如下步驟：

[1]制備包含有二硫化鉬納米薄片的分散液；

[2]將步驟[1]制備的包含二硫化鉬納米薄片的分散液作為印刷油墨，采用噴墨印刷法在電極基底上形成立體圖案化二硫化鉬基催化析氫電極。

印刷電子技術以“加成法”為微圖形化工藝路線，實現功能材料的直接沉積，相對于微電子領域的傳統“蝕刻減成法”，具有生產工藝簡便、原材料損耗小、設備投資少，并可實現大面積、低成本、批量化生產的優點。噴墨印刷技術是其中一種非接觸、無需制版的數字印刷技術。本技術方案將噴墨印刷技術轉用到催化析氫電極的制備中，使得作為電催化劑的二硫化鉬納米薄片在電極基底上形成三維立體圖案。有效提高了催化析氫活性位點的暴露數量，從而使該方法制備得到的催化析氫電極具有更好的催化活性。