一种过渡金属硫族化合物的析氢电极制备方法技术

一种过渡金属硫族化合物析氢电极的制备方法，包括以下制备步骤：将二维过渡金属硫族化合物纳米片分散至水和无水乙醇的混合液中制备得到质量浓度为0.01～5g/L的过渡金属硫族化合物纳米片悬浮液；将所述的纳米片悬浮液通过电泳沉积到碳布上；电泳过程中采用不锈钢平板接直流电源的负极，碳布接直流电源的正极，两电极之间的电压为50～200V，间距为0.3～2cm；将经过(2)步电泳处理的碳布在55～70℃下干燥12～24小时，再在140～160℃下煅烧0.5～5小时，即制成析氢电极材料。本发明专利技术方法简单易行，生产成本低廉，不仅可用于工业电催化制氢中，更可广泛应用于各种催化析氢领域，如太阳能电解水制氢。

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属硫族化合物的析氢电极制备方法
本专利技术涉及一种二维过渡金属硫族化合物高催化活性的析氢电极的制备方法。
技术介绍
由于能源需求和环境污染，我们急需寻找一种高效、清洁和储量丰富的可持续能源。氢能由于其具有较高的能量密度(143KJ/g)，而且在燃烧过程中不会产生二氧化碳，它被认为是未来最有希望的能源材料之一。目前制取氢气的方法很多，其中电解水制氢由于其设备简单、不产生污染、产物纯度高等特点备受关注。在电催化的过程中，常用的催化剂是以铂基为主的贵金属催化剂，但是该种催化剂价格昂贵，储量稀少，不利于大面积工业化生产，因此，我们寻找一种高效的、丰富和价格便宜的催化剂。众所周知，Mo、W等B族金属电极具有较低的析氢过电位和塔菲尔斜率(金属钼接近于0伏，相对于可逆氢电极，塔菲尔斜率为30mv/dec)。催化效果好，性能稳定，但是普遍价格昂贵、资源匮乏，找寻新的代替型析氢电极迫在眉睫。最新的研究发现，过渡金属硫族化合物被应用在析氢反应中由于其具有化学稳定性以及电催化性在酸性溶液中。实验和计算结果也都表明，过渡金属硫族化合物催化活性位点位于其暴露的边缘而其平面内是催化惰性的，这些结果说明，此类过渡金属硫族化合物的超薄纳米片结构将是极具潜力的电催化活性材料。在众多过渡金属硫族化合物中，MoS2是最近被广泛研究的替代钼的析氢电极之一。现阶段，多种MoS2的合成以及其作为析氢电极材料已被报导，其具有过电位低、电流较大等优点。但是它们都具有一定的局限性，特别是电极制备过程繁琐，不便于工业化的推广。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供一种过渡金属硫族化合物纳米片析氢电极的制备方法；该制备方法的所得到的产品可直接作为电催化析氢电极使用，可有效提高了电催化析氢的性能和电极的稳定性，且该方法操作方便，易于控制，工业化推广。本专利技术的技术方案包括以下制备步骤：(1)将二维过渡金属硫族化合物纳米片分散至水和无水乙醇的混合液中制备得到质量浓度为0.01～5g/L的过渡金属硫族化合物纳米片悬浮液；(2)将所述的纳米片悬浮液通过电泳沉积到碳布上；电泳过程中采用不锈钢平板接直流电源的负极，碳布接直流电源的正极，两电极之间的电压为50～200V，间距为0.3～2cm；(3)将经过(2)步电泳沉积处理的碳布在55～70℃下干燥12～24小时，再在140～160℃下煅烧0.5～5小时，即制成析氢电极材料。步骤(1)中的过渡金属硫族化合物包括有：MoS2,MoSe2,MoTe2,WS2,WSe2,WTe2或TiS2中的一种。步骤(1)中去离子水和无水乙醇混合液中去离子水和无水乙醇的质量比为：1/3～3。步骤(2)中的电泳沉积电压为90～110V。步骤(2)沉积时间分为：50～80min。步骤(2)中的电泳沉积电压特别优选为100V。本专利技术的二维过渡金属硫族化合物纳米片的制备可采用采用水热插层剥离法制备得到。本专利技术具体方法步骤包括：(1)二维过渡金属硫族化合物纳米片的制备：采用水热插层剥离法(J.Mater.Chem.,2012,22,4921-4926)，以乙二醇为溶质，制备的质量浓度为10g/L的氢氧化锂溶液；而后将过渡金属硫族化合物块体放入其中，搅拌均匀，制备的质量浓度3g/L，将制备好的溶液放入反应釜中，在220℃的条件下，反应24小时；待反应完成，自然降温到室温后，分别用过量的丙酮和乙醇除去残余的有机物，反应清洗数次，真空抽滤得到了锂化的过渡金属硫族化合物。将锂化的过渡金属硫族化合物至于去离子水中，让水分子跟锂化的过渡金属硫族化合物中的锂离子反应，使得过渡金属硫族化合物的层与层之间分离，静置24小时，将上清液真空抽滤，低温冷冻干燥后，得到二维过渡金属硫族化合物纳米片。(2)二维过渡金属硫族化合物纳米片悬浮溶液的获得：以水和无水酒精的混合液为溶剂，制备为质量浓度为0.01～5g/L的过渡金属硫族化合物纳米片悬浮液。(3)基底的清洗：首先分别将碳布和不锈钢依次至于丙酮和无水乙醇中超声震荡20min，以除去化学油；然后在去离子水中超声震荡20min；最后用电吹风吹干。(4)电泳沉积二维过渡金属硫族化合物纳米片到碳布上：将制备好的悬浮液置于烧杯中，将不锈钢平板接直流电源的负极，碳布接直流电源的正极，两电极之间的电压为50～200V，间距为0.3～2cm，沉积的时间为5～80min。(5)将经过电泳沉积的处理的碳布在55～70℃下干燥12～24小时，再在140～160℃下煅烧0.5～5小时。本专利技术中优选电泳处理的碳布在60℃下干燥。本专利技术中优选煅烧温度为150℃。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：为了有效提高了电催化析氢的性能，专利技术人考虑采用电泳沉积的方式将MoS2沉积至ITO玻璃、玻碳电极(GC)上，结果发现，并不尽如人意，性能并没有明显提升，专利技术人又尝试加入到Ti片上，改进效果仍是不明显，直到专利技术人发现采用碳布后，产品性能有质的提升，其对应2mA/cm3的过电位为0.1V，相对于以Ti片为基底的电极，过电位减小了0.4V左右，专利技术人通过进一步的研究还发现本专利技术的方法中，二维过渡金属硫族化合物纳米片悬浮溶液应以水和无水乙醇的混合液为溶质对产品的性能影响显著，具体参见图3。同时，专利技术人还发现，本专利技术的产品有很好的稳定性，在1000次循环后，其极化曲线几乎没有衰减。因此，本专利技术方法制备的析氢电极，通过电泳沉积纳米片到碳布上，紧密与碳质导电基底结合，具有高导电性和催化活性，提高了电催化析氢的性能和电极的稳定性。本专利技术利用硫族化合物为原料，制备工艺简单，设备要求常规，原材料来源丰富，价格便宜，大大的降低了生产成本。本专利技术通过电泳沉积并控制其沉积时间，均匀沉积可控厚度的纳米片薄膜，工艺成熟稳定，易于控制，受环境影响小。附图说明图1左图为电泳沉积前的二硫化钼纳米片后碳布的SEM图和右图为电泳沉积60min的二硫化钼纳米片后碳布的SEM图；图2为滴涂MoS2到玻碳电极(GC)和电泳沉积MoS2到碳布(CC)、ITO玻璃、Ti片的极化曲线图；图3为在水和无水乙醇不同比例悬浊液条件下电泳制备的电极的极化曲线图；图4为在V水：V无水乙醇＝2：2悬浊液条件下所制备电极循环1000次后的极化曲线图。具体实施方式：以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施例。对比例1称取氢氧化锂0.9g溶于90ml的乙二醇中，再将0.27g的块体二硫化钼加入其中，搅拌均匀后放入反应釜中，220摄氏度，反应24小时，待反应釜自然降温到室温后，依次用丙酮和酒精清洗数次，抽滤得到锂化的二硫化钼。将锂化的二硫化钼置于去离子水中，待锂化的二硫化钼和水反应完全后，静置24小时后，抽滤后，真空冷冻干燥得到二硫化钼纳米片。称取0.1g二硫化钼纳米片分散在100ml去离子水和无水乙醇(V去离子水：V无水乙醇＝1:1)混合溶剂中，制备得到质量浓度1mg/mL的二硫化钼纳米片的悬浮液。连接好电泳装置和稳压电源，以分别以碳布(CC)、ITO玻璃和Ti片为正极，不锈钢平板为负极，两基板之间距离为1cm，电压为100V，沉积时间为60min。将沉积好的基板在60摄氏度下干燥12小时，再在150摄氏度下煅烧1小时。称取4mg二硫化钼纳米片分散在包含有0.8ml去离子水、0.2ml无水乙醇和80μln本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过渡金属硫族化合物析氢电极的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：(1)将二维过渡金属硫族化合物纳米片分散至水和无水乙醇的混合液中制备得到质量浓度为0.01～5g/L的过渡金属硫族化合物纳米片悬浮液；(2)将所述的纳米片悬浮液通过电泳沉积到碳布上；电泳过程中采用不锈钢平板接直流电源的负极，碳布接直流电源的正极，两电极之间的电压为50～200V，间距为0.3～2cm；(3)将经过(2)步电泳沉积处理的碳布在55～70℃下干燥12～24小时，再在140～160℃下煅烧0.5～5小时，即制成析氢电极。

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属硫族化合物析氢电极的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：（1）将二维过渡金属硫族化合物纳米片分散至水和无水乙醇的混合液中制备得到质量浓度为0.01~5g/L的过渡金属硫族化合物纳米片悬浮液；去离子水和无水乙醇混合液中去离子水和无水乙醇的质量比为：1/3~3；（2）将所述的纳米片悬浮液通过电泳沉积到碳布上；电泳过程中采用不锈钢平板接直流电源的负极，碳布接直流电源的正极，两电极之间的电压为50~200V，间距为0.3~2cm；（3）将经过（2）步电泳沉积处理的碳布在55~70℃下干燥12~24小时，再在140~160℃下煅烧0.5~5小时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘韵丹，祁祥，钟建新，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43