[發明專利]一種石墨烯/碳化硅三維復合氣凝膠的制備及其負載二硫化鉬電催化劑

有效

• 申請號: 202110264629.7
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113026053B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 王紅潔;萬鵬飛;彭康;牛敏;蘇磊;莊磊;徐亮
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發明公開了一種石墨烯/碳化硅三維復合氣凝膠的制備及其負載二硫化鉬電催化劑，屬于無機納米材料領域。該石墨烯/碳化硅三維復合氣凝膠以質量百分比計，由23.6％～88.9％的石墨烯和11.1％～76.4％碳化硅組成；所用的石墨烯為石墨烯納米片，碳化硅為碳化硅納米線。結構為三維連接的碳化硅納米線生長在石墨烯網絡中。密度為5.6mg/cm³～32.6mg/cm³。本發明所采用的石墨烯/碳化硅三維復合氣凝膠的制備方法為原位CVD法，通過硅凝膠裂解產生的一氧化碳和一氧化硅在石墨烯上形核長大，生長成為碳化硅納米線。通過碳硅鍵結合，可以在石墨烯和碳化硅之間形成良好的界面，有利于提高材料的導電性和穩定性，該方法工藝簡單，有利于大規模生產。

技術領域

本發明屬于無機納米材料領域，特別是涉及一種石墨烯/碳化硅復合氣凝膠的制備及其電催化產氫上的應用。

背景技術

石墨烯在納米材料、生物工程、精細化工方面具有非常重要的應用前景。石墨烯可以為其它納米材料提供獨特的二維支撐體，因為石墨烯獨特的物理、化學和機械性能可以制備具有優異性質的復合材料。通常，二維石墨烯材料以粉末狀形式存在，其優異的比表面積及導熱與導電特性會受到限制，故發展以三維石墨烯骨架為主題的復合材料具有重要的學術價值和廣泛的應用前景。碳化硅納米線作為一種半導體材料，在電催化、光催化上具有非常大的應用前景。由于其本征電導率較低，所以影響電子在其內部的傳輸，從而影響催化的性能。通過構建石墨烯/碳化硅三維復合氣凝膠，碳化硅納米線與石墨烯納米片之間存在節點，碳化硅納米線自身也存在節點，這些節點既增加了強度，又提升了導電性，而且提供了大的比表面積。

隨著化石燃料不斷消耗和環境污染日益嚴重，尋找一種能夠替代化石燃料的新能源越來越重要。氫能作為一種清潔、高效、可持續的新能源受到了廣泛的關注。通過簡單的析氫反應就可以生產氫氣，在這個過程中需要催化劑來降低過電位從而減少能量損耗。鉑是非常好的電催化產氫催化劑，但是由于其元素豐度低，價格昂貴，很難大規模應用。所以，開發一種高效可持續的催化劑是電催化產氫的關鍵技術。

二硫化鉬作為一種過渡金屬硫化物具有成本低、催化性能良好、結構穩定等優勢，是一種理想的能夠替代貴金屬鉑作為催化劑的材料。理論和實驗的研究表明：二硫化鉬電催化產氫的活性位點位于納米片片層的邊緣。但是二硫化鉬存在電導率低、納米片易堆疊、水活化能壘高的缺點。通過與其他納米材料復合克服上述缺點，可望進一步提高二硫化鉬的電催化產氫性能。

石墨烯作為一種二維材料有表面積大、電導率高等優勢。2018年，Han及其合作者將石墨烯與二硫化鉬復合，顯著提高了電催化活性。碳化硅作為一種半導體，具有成本低、穩定性高、無污染等優點。He及其合作者在2012年研究發現，碳化硅可以降低水的分解能，有利于電催化產氫的進行。Wen Dai及其合作者在2019年研究了一種紙狀的石墨烯/碳化硅納米棒復合材料用于導熱材料。

當前，未見石墨烯/碳化硅三維復合氣凝膠負載二硫化鉬直接應用于電催化產氫的相關報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石墨烯/碳化硅三維復合氣凝膠及其負載二硫化鉬電催化劑的制備方法，該石墨烯/碳化硅三維復合氣凝膠的結構為三維石墨烯氣凝膠中生長大量的碳化硅納米線網絡；該催化劑的微觀結構為石墨烯納米片上負載碳化硅納米線，碳化硅納米線負載大量的二硫化鉬納米片，可用于電催化析氫反應，具有催化活性高、催化性能穩定等優點，該電催化劑的制備方法簡單，原料來源廣泛，成本低廉，有利于大規模生產應用。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

本發明公開了一種石墨烯/碳化硅三維復合氣凝膠，其特征在于，該復合氣凝膠以質量百分比計，由23.6％～88.9％的石墨烯和11.1％～76.4％碳化硅組成；