[發明專利]一種層狀堆疊二硫化鉭納米片的制備方法與電催化析氫應用

在審

• 申請號: 202210630740.8
• 申請日: 2022-06-06
• 公開（公告）號: CN114990574A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 閆慧;楊慧琪;印壽根
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/061;C25B11/075
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 林玉慧

一種層狀堆疊二硫化鉭納米片的制備方法與電催化析氫應用。制備方法包括：1)利用退火的銅箔作為生長基底；2)用硫粉和過渡金屬的氧化物五氧化二鉭粉末作為前驅體依次放置在氣流的上游和下游；3)通過載氣去除殘留的空氣，將硫粉、五氧化二鉭粉末和銅箔分別加熱至不同溫度，保溫一定時間，在銅箔基底的雙面得到層狀堆疊的二硫化鉭納米片。本發明的制備方法可以實現大批量的二硫化鉭納米片的制備，通過改變生長溫度可以調控硫空位的濃度，用此合成方法制備的層狀堆疊二硫化鉭納米片具有高效的電催化性能，并且在酸堿性電解液中都具有良好的析氫性能。該方法易操作、所需設備簡單、成本較低，有望代替鉑等貴金屬廣泛地應用到工業生產方面。

技術領域

本發明屬于化學氣相沉積法制備二維納米片技術領域，具體來說涉及一種制備層狀過渡金屬硫化物二硫化鉭納米片的方法和電催化析氫應用。

背景技術

由于石墨烯超高的電導率以及零帶隙的特性使得其在某些應用領域受到了一定的限制，一系列具有不同能帶結構的二維過渡金屬硫族化合物材料被廣泛研究，并在新能源領域有著潛在的應用價值。電催化分解水是一種高效的、無污染的產氫方法，目前最先進的催化析氫技術依然依賴于貴金屬Pt等催化劑，但是貴金屬在地殼中的含量稀少，價格昂貴，限制了其在工業中的大規模使用，所以探索價格低廉，含量豐富，并且和貴金屬具有同樣優異的催化活性的材料顯得尤為重要。工業上常在堿性條件下進行析氫，堿性條件中存在額外的水解離能壘，所以相較于酸性介質中，堿性條件下的電催化析氫更有挑戰性。近些年，相繼合成出來的非貴金屬催化劑，都有著較高的催化活性。二維過渡金屬硫族化合物材料相較于Pt基化合物含量豐富，其中二硫化鉬是最早被研究的析氫催化劑，但是二硫化鉬的基面是惰性的，催化析氫反應(HER)的活性位點僅存在于材料邊緣，活性位點密度低是二硫化鉬作為高效HER催化劑亟需解決的問題。二硫化鉭作為一種典型的金屬性過渡金屬二硫化物，由于其豐富的電荷密度波以及超導特性成為研究的熱點。通過理論計算發現，二硫化鉭析氫催化活性較高，這是由于二硫化鉭對氫離子的吸附能力較強，且電催化析氫性能不局限于邊緣活性，而是表現出堿性平面活性，其性能來源于基面的高活性位點(Natureenergy.2017,2,17127,Chem.Eur.J.2017,23,8082–8091),這為高效二維過渡金屬析氫催化劑的探索提供了一個更有潛力的方向。但是塊狀的二硫化鉭因其表面較少的活性位點限制了它的析氫活性，所以開發和合成二硫化鉭納米片是提高其HER性能的有效方式。研究人員已經在納米多孔金(NPG)上合成了二硫化鉭納米片，實現了垂直1T-TaS₂納米片的批量合成，但是在納米多孔金這種貴金屬襯底上面合成材料進行電催化析氫由于襯底成本較高，無法實現大規模生產，所以有必要發明一種制備成本較低，活性位點較多，并且能夠在堿性電解液中獲得良好性能的二硫化鉭納米片的方法。

發明內容

本發明的目的是針對現有硫化鉭催化材料存在制備成本高、制備過程復雜等問題，提供一種層狀堆疊二硫化鉭納米片的制備方法，該方法采用化學氣相沉積法，將硫粉和五氧化二鉭粉末作為前驅體，選取銅箔為基底，利用管式爐生長層狀堆疊二硫化鉭納米片。該方法簡單可靠、成本低廉、重復性良好，可以大批量合成二硫化鉭納米片。

本發明的另一目的是提供上述方法獲得的層狀堆疊二硫化鉭納米片，通過控制反應溫度改變缺陷濃度，實現在電催化析氫領域的應用。

本發明的目的是通過下述技術方案予以實現的。

一種層狀堆疊二硫化鉭納米片的制備方法與電催化析氫應用，包括以下步驟：

步驟1，將銅箔置于清洗干凈無雜質的石英管中密封，在氬氣和氫氣的混合氣流中升溫至設定溫度1040-1045℃，并且保溫2-3h進行退火后得到生長基底；

所述氬氣和氫氣的流量分別為40標準立方厘米/分鐘(sccm)和10標準立方厘米/分鐘(sccm)，氬氣和氫氣的載氣體積比例是4:1。