[發明專利]負載在碳紙上的鎳硒共摻雜二硫化鉬催化劑及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202211634379.2
• 申請日: 2022-12-19
• 公開（公告）號: CN115772681A
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 余宇翔;單譯弘
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/065;C25B1/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 江裕強

本發明公開了負載在碳紙上的鎳硒共摻雜二硫化鉬催化劑及其制備方法與應用。該制備方法首先分別制備鎳摻雜二硫化鉬(Ni?MoS₂)和NaHSe溶液。將鎳源，鉬源與硫源在去離子水中攪拌均勻后放入含有干凈碳紙的聚四氟乙烯內襯高壓反應釜中進行水熱反應，得到Ni?MoS₂催化劑；在惰性氣氛中，硒粉與硼氫化鈉在無水乙醇中完全反應，然后加入去離子水，從而得到NaHSe溶液。將NaHSe溶液轉移至放有Ni?MoS₂的聚四氟乙烯內襯高壓釜中進行溶劑熱反應，得到負載在碳紙上的鎳硒共摻雜二硫化鉬催化劑，并應用于電催化析氫反應。本方法具有制備簡單、成本低、環境友好的特點。

技術領域

本發明屬于電催化技術領域，具體涉及負載在碳紙上的鎳硒共摻雜二硫化鉬催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

工業革命以來，大量化石能源被開采利用，造成有毒氣體的排放以及巨大的能源缺口，人們需要開發出其他綠色能源來實現社會的可持續發展。氫氣作為一種極具潛力的綠色能源載體，其能量密度高達1.2×10⁵kJ/kg，通過電解水的陰極還原反應——氫氣析出反應(HER)來制取氫氣是一種高效，綠色的方法。催化劑達到10mA/cm²的電流密度所需要的過電位(η₁₀)是衡量HER催化劑的重要指標，η₁₀越小，說明材料的HER性能越優秀。目前，主流的HER電催化劑是Pt基催化劑(如20％Pt/C)。然而，有限的地球儲量，較高的工業成本限制了Pt基催化劑在工業上的大規模應用。因此，制備出廉價的，具有高催化性能的HER電催化來取代Pt是目前的研究熱點之一。

作為一種過渡族金屬硫化物，二硫化鉬(MoS₂)具有與石墨烯類似的二維層狀結構。自從研究人員通過計算發現MoS₂邊緣不飽和配位的鉬具有極小的氫吸附自由能后，該材料便受到廣泛的關注和研究。然而，MoS₂極差的導電性、較小的層間距以及催化位點少等因素嚴重阻礙了其HER性能表現。近年來研究發現過渡金屬摻雜，比如鈷、鐵等，可以有效的在MoS₂基面上創造更多的催化活性位點。中國專利申請一種鈷摻雜二硫化鉬電催化材料及其制備方法與應用公開了利用一步水熱法制備出鈷摻雜MoS₂。該材料制備簡單，但是該材料η₁₀仍然較大；在另一方面非金屬摻雜，比如硒，可以有效的增加MoS₂的缺陷，并提高其導電性。中國專利申請原位負載硒摻雜二硫化鉬/過渡金屬硼化物納米材料的制備及應用公開了一種硒摻雜MoS₂與過渡金屬硼化物的復合材料，該材料雖然具有較好的電催化性能，但是制備過程繁瑣，且高溫氣固相硒化過程產生的尾氣會造成一定的環境污染。目前，利用簡單方法制備出具有高催化活性且廉價的MoS₂基催化劑用于電催化析氫仍然是一項巨大挑戰。

發明內容

為了解決二硫化鉬催化活性位點少，導電性差，電催化析氫性能較差的問題，本發明的目的在于提供負載在碳紙上的鎳硒共摻雜二硫化鉬催化劑及其制備方法與應用。本發明所制備的負載在碳紙上的鎳硒共摻雜二硫化鉬催化劑HER性能較好，制備方法成本低廉，操作簡單，對于制備其他MoS₂基催化劑具有參考意義。

在本發明中，通過2步反應，制備出負載在碳紙上的鎳硒共摻雜二硫化鉬，操作簡單，實驗成本較低，所制備的催化劑在堿性環境下具有優異的HER性能，對于電解水制氫的工業化生產具有參考價值。

本發明通過以下技術方案予以實現：

負載在碳紙上的鎳硒共摻雜二硫化鉬催化劑的制備方法，包括如下步驟：

(1)碳紙預處理：將購買到的碳紙剪裁成長方形狀，并依次在丙酮，無水乙醇和去離子水中超聲，去除碳紙表面的雜質和有機物，得到洗凈碳紙。