一种碳/二硫化钽异质结材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种碳/二硫化钽异质结材料及其制备方法和应用，所述材料由二硫化钽纳米片生长在碳基衬底上，二者接触的界面形成碳/二硫化钽异质结。本发明专利技术利用两温区化学气相沉积法在经过预氧化处理的碳基衬底生长得到碳/二硫化钽异质结材料，所制备的碳/二硫化钽异质结具有良好的电催化析氢活性，在10mA/cm

【技术实现步骤摘要】
一种碳/二硫化钽异质结材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及新材料制备和能源应用领域，具体涉及一种碳/二硫化钽异质结材料及其制备方法，以及其在电解水制氢领域的应用。
技术介绍
电催化分解水是产生清洁氢能源的重要方法。传统贵金属，尤其是铂基电催化剂在析氢反应中具有优异的催化活性，但是其价格昂贵、储量稀少，这限制了铂基电催化剂大规模的实际应用。研究廉价高效的非贵金属催化剂是实现低成本电解水制氢的关键科学问题和技术难题，也是目前该领域的研究热点和重点。以过渡金属二硫化物为代表的二维原子材料在实验和理论上均已被证实具有很高的电催化析氢活性，如二硫化钼、二硫化钨等。这类二维材料的催化析氢活性位点位于材料的边缘，主要是硫空位，而其平面内几乎是惰性的。这大大降低了催化剂材料的利用率。最近，金属性过渡金属二硫化物二硫化钽及其同族二硫化物被证明具有极高的催化活性，这类材料的催化活性不仅来源于边缘位点，同时其平面内也被证实具有催化活性。目前所报道的二硫化钽材料主要是通过化学固相合成和化学气相输运法制得，这些方法制备的二硫化钽材料厚度和大小均不可控，层与层之间作用力强，即使采用机械剥离也很难获得薄层样品，无法暴露出析氢反应所需的大量催化活性位点。以上方法严重制约了二硫化钽活性面的充分利用，从而影响其在电化学析氢反应中的催化效率。CN108179399A公开了一种化学气相沉积法制备二硫化钽的方法，利用常压化学气相沉积的方法在金箔上沉积得到了二硫化钽纳米片，利用低压化学气相沉积的方法进行厘米尺寸均匀的薄层二硫化钽薄膜的生长。该方法能够实现大面积、高质量、厚度可调二硫化钽样品的批量可控制备；可以实现其微观形貌和电子结构的探索；通过调控生长时间可以制备不同厚度/覆盖度的二硫化钽样品。然而金箔的成本很高，不利用大规模制备，且其制备的二硫化钽纳米片和薄膜产品应用时仍然需要添加额外的导电衬底，限制了其进一步应用。异质结是两种不同的材料相相结合并各自发挥本体的优势。本专利技术利用化学气相沉积法制备得到了碳/二硫化钽异质结材料，获得了更好的电催化析氢活性，降低了生产成本，扩大了应用范围。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种碳/二硫化钽异质结材料及其制备方法和应用，在常压下利用化学气相沉积法制备得到碳/二硫化钽异质结材料，所制备的碳/二硫化钽异质结具有良好的电催化析氢活性，在10mA/cm-2的电流密度下的过电位约为160mV，低于其它半导体性二维材料，且整个制备过程简单、可控，具有良好的应用前景。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种碳/二硫化钽异质结材料，所述材料由二硫化钽纳米片生长在碳纤维基底上，二者以碳-钽键相连形成碳/二硫化钽异质结。第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述碳/二硫化钽异质结材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将碳质基底进行预氧化处理，得到碳纤维基底；(2)将硫源和钽源混合，利用化学气相沉积法在碳纤维基底上得到碳/二硫化钽异质结。根据本专利技术，步骤(1)的操作为：将碳质基底与氧化剂混合，加热进行氧化处理，然后置于氨气中进行退火处理，冷却后得到碳纤维基底。本专利技术通过在步骤(1)中对碳质基底进行预氧化处理，不仅能够使碳质基底具有亲水作用，而且能够在碳质基底上产生缺陷，易于碳-钽键的形成。本专利技术在氨气中对氧化后的碳质基底进行退火处理，能够形成氮掺杂的碳材料，并进一步增强电催化活性。对于本专利技术而言，本领域常用的碳质材料均可用作碳质基底，示例性的，所述碳质基底可以为石墨烯泡沫、石墨化氮掺杂碳纤维、碳布、碳纸或碳纤维中的任意一种，但非仅限于此。根据本专利技术，所述碳质基底的面积为1-100cm2，厚度为10-104μm。根据本专利技术，所述氧化剂为高锰酸钾溶液，所述高锰酸钾溶液的浓度为0.05-1mol/L，例如可以是0.05mol/L、0.1mol/L、0.3mol/L、0.5mol/L、0.8mol/L或1mol/L，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，在所述退火处理前，对氧化处理后的碳质基底洗涤、烘干。根据本专利技术，所述氧化处理的温度为60-80℃，例如可以是60℃、63℃、65℃、68℃、70℃、73℃、75℃、78℃或80℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，所述氧化处理的时间为1-5h，例如可以是1h、2h、3h、4h或5h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，所述退火处理的温度为700-850℃，例如可以是700℃、730℃、750℃、780℃、800℃、830℃或850℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，所述退火处理的时间为2-5h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(2)的操作为：(a)按照进气口到出气口的方向依次将碳纤维基底，以及硫源和钽源的混合物置于两温区管式炉中；(b)对所述两温区管式炉进行抽真空处理，然后通入混合气体，分别设置两温区的温度，升温进行生长，生长结束后冷却，得到碳/二硫化钽异质结。根据本专利技术，步骤(a)所述硫源为硫粉。本专利技术选择硫粉作为硫源，再通入氢气对其进行还原，实质上得到硫化氢气体进行反应和沉积。事实上，本专利技术同样可以选择直接通入硫化氢气体的方式进行气相沉积制备碳/二硫化钽异质结，但由于硫化氢具有毒性，可操作性差，在实际制备过程中应尽量避免。根据本专利技术，步骤(a)所述钽源为五氯化钽。根据本专利技术，步骤(a)所述混合物中硫源和钽源的质量比为(2.5-10):1，例如可以是2.5:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1或10:1，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，在置于两温区管式炉中前，对所述硫源和钽源的混合物进行研磨，将研磨后的混合物置于石英舟中备用。根据本专利技术，步骤(b)所述混合气为保护性气体与氢气的混合气体，所述保护性气体为氮气和/或氩气；所述混合气可以是氮气和氢气，氩气和氢气，氮气、氩气和氢气。根据本专利技术，所述混合气中保护性气体和氢气的体积比为(1-100):1，例如可以是1:1、10:1、20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、70:1、80:1、90:1或100:1，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(b)所述混合气的总流量为10-2000sccm，例如可以是10sccm、50sccm、100sccm、500sccm、800sccm、1000sccm、1500sccm或2000sccm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(b)所述硫源和钽源的混合物的温区的温度设置为150-300℃，例如可以是150℃、180℃、200℃、230℃、250℃、280℃或300℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳/二硫化钽异质结材料，其特征在于，所述材料由二硫化钽纳米片生长在碳纤维基底上，二者以键合的形式形成碳/二硫化钽异质结。

【技术特征摘要】
1.一种碳/二硫化钽异质结材料，其特征在于，所述材料由二硫化钽纳米片生长在碳纤维基底上，二者以键合的形式形成碳/二硫化钽异质结。2.如权利要求1所述的碳/二硫化钽异质结的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将碳质基底进行预氧化处理，得到碳纤维基底；(2)将硫源和钽源混合，利用化学气相沉积法在碳纤维基底上得到碳/二硫化钽异质结。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)的操作为：将碳质基底与氧化剂混合，加热进行氧化处理，然后置于氨气中进行退火处理，冷却后得到碳纤维基底。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碳质基底为石墨烯泡沫、石墨化氮掺杂碳纤维、碳布、碳纸或碳纤维中的任意一种；优选地，所述碳质基底的面积为1-100cm2，厚度为10-104μm。优选地，所述氧化剂为高锰酸钾溶液，所述高锰酸钾溶液的浓度为0.05-1mol/L；优选地，在所述退火处理前，将氧化处理后的碳质基底洗涤、烘干；优选地，所述氧化处理的温度为60-80℃，时间为1-5h；优选地，所述退火处理的温度为700-850℃，时间为2-5h。5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)的操作为：(a)按照进气口到出气口的方向依次将碳纤维基底，以及硫源和钽源的混合物置于两温区管式炉中；(b)对所述两温区管式炉进行抽真空处理，然后通入混合气体，分别设置两温区的温度，升温进行生长，生长结束后冷却，得到碳/二硫化钽异质结。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述硫源为硫粉；优选地，步骤(a)所述钽源为五氯化钽；优选地，步骤(a)所述混合物中硫源和钽源的质量比为(2.5-10):1；优选地，在置于两温区管式炉中前，对所述硫源和钽源的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘碧录，余强敏，蔡正阳，刘佳曼，
申请(专利权)人：清华伯克利深圳学院筹备办公室，
类型：发明
国别省市：广东,44