一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法技术

本发明专利技术属于二维材料制备以及催化析氢技术领域，具体涉及一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法。针对现有的二硫化钼纳米薄片催化析氢活性位点丰度低的问题，本发明专利技术的技术核心包括以下几点：[1]利用印刷法固载二硫化钼，构筑三维催化析氢电极；[2]掺入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮，辅助剥离二硫化钼，并阻止二硫化钼纳米薄片的重团聚；[3]掺入还原氧化石墨烯为二硫化钼纳米薄片的分散提供锚点，进一步阻止二硫化钼纳米薄片的堆叠；[4]选用具有高表面粗糙度的载体作为电极基底。本发明专利技术适用于常温下酸性溶液中的催化析氢反应。

【技术实现步骤摘要】
一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法
本专利技术属于二维材料制备以及电催化析氢
，具体涉及一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法。
技术介绍
传统的化石燃料由于严重的环境污染问题以及燃料的不可再生性，正逐渐被新型可持续能源取代。氢能作为一种高效清洁的能源载体，被当作传统化石燃料的理想替代者。然而氢气的生产低效以及生产工艺的复杂性都制约着氢能源的发展。电解水制氢被认为是可持续获取氢气的重要途径，高效电催化析氢材料的设计是关系到这一技术能否实现的关键。当前，电解水制氢领域的核心任务是解决高制氢效率与低催化成本之间的矛盾，从而发展高效、经济、绿色的制氢催化剂及相关工艺，以取代资源有限、造价昂贵的金属铂催化剂，实现能量的低成本转化。作为一种类石墨烯二维材料，二硫化钼具有类似于金属铂的氢吸附自由能，能够在强酸性溶液中稳定存在且资源丰富，有望取代传统贵金属析氢材料。研究(AndersBL,SorenK,SorenD,etal.Molybdenumsulfides-efficientandviablematerialsforelectro-andphotoelectrocatalytichydrogenevolution,Energy&EnvironmentalScience,2012,5:5577)表明二硫化钼的催化活性位点位于晶面的边缘处，因此增大二硫化钼的边缘暴露面积成为提升其催化析氢性能的一个重要途径。目前其催化活性位点的暴露还存在诸多问题，主要表现在：(1)二硫化钼的类石墨烯片层尺寸较大，极不利于其边缘活性位点的暴露；(2)二硫化钼纳米片层之间由于范德华力作用而易发生再堆积，从而降低了析氢活性位点的丰度；(3)二硫化钼的固载化方式单一，可暴露更多活性位点的空间结构设计手段匮乏。
技术实现思路
针对现有的二硫化钼片层尺寸大、片层间易堆积及可暴露更多活性位点的空间结构设计手段匮乏问题，本专利技术提供一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法。其目的在于：通过加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮有效促进体材二硫化钼的剥离，减小片层的径向尺寸，并阻止二硫化钼纳米片层的堆叠；加入还原氧化石墨烯，提供片层二硫化钼的分散锚点，进一步阻止二硫化钼纳米片层的堆积；采用具有高表面粗糙度的电极基底，有效增大电极比表面积，从而提高催化活性位点的数量；利用数字化印刷技术可方便进行图案化的优势，形成催化析氢活性物质的三维立体图形化结构，进一步提高活性位点的暴露数量。本专利技术采用的技术方案如下：一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法，其特征在于，包括如下步骤：[1]制备包含有二硫化钼纳米薄片的分散液；[2]将步骤[1]制备的包含二硫化钼纳米薄片的分散液作为印刷油墨，采用喷墨印刷法在电极基底上形成立体图案化二硫化钼基催化析氢电极。印刷电子技术以“加成法”为微图形化工艺路线，实现功能材料的直接沉积，相对于微电子领域的传统“蚀刻减成法”，具有生产工艺简便、原材料损耗小、设备投资少，并可实现大面积、低成本、批量化生产的优点。喷墨印刷技术是其中一种非接触、无需制版的数字印刷技术。本技术方案将喷墨印刷技术转用到催化析氢电极的制备中，使得作为电催化剂的二硫化钼纳米薄片在电极基底上形成三维立体图案。有效提高了催化析氢活性位点的暴露数量，从而使该方法制备得到的催化析氢电极具有更好的催化活性。优选的，包含有二硫化钼纳米薄片的分散液的制备方法为：[1-1]采用液相超声剥离法得到包含二硫化钼纳米薄片的悬浮液，在所述液相超声剥离法中的剥离溶剂中添加有表面活性剂和重堆积抑制剂；[1-2]对步骤[1-1]得到的包含二硫化钼纳米薄片的悬浮液进行离心分离，取三分之二处上清液得到二硫化钼基纳米薄片分散液；进一步优选的，表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。加入聚乙烯吡咯烷酮可有效促进体材二硫化钼的剥离，减小片层的径向尺寸，并阻止二硫化钼纳米片层的重堆叠，从而提高最终制备的电极的催化析氢活性位点的数量。进一步优选的，在步骤[1-1]所述液相超声剥离过程中，加入剥离溶剂中的聚乙烯吡咯烷酮和二硫化钼的质量比为0.15～0.25:1。进一步优选的，重堆积抑制剂为还原氧化石墨烯。加入还原氧化石墨烯，可提供片层二硫化钼的分散锚点，进一步阻止二硫化钼纳米片层的堆积，从而提高二硫化钼纳米薄片制成的催化析氢电极的活性位点暴露数量。进一步优选的，在步骤[1-1]所述液相超声剥离过程中，加入剥离溶剂中的还原氧化石墨烯与二硫化钼的质量比为0.05～0.15:1。优选的，步骤[2]所述电极基底为表面覆盖有导电薄膜的、表面粗糙度大的刚性或挠性基材。优选的，步骤[2]中形成立体图案化二硫化钼基催化析氢电极的过程为：先以平面图形喷印多次，然后以方形回旋纹或同心圆图案喷印多次。优选的，步骤[2]中形成立体图案化二硫化钼基催化析氢电极的过程为：先以平面图形喷印10次，再以方形回旋纹或同心圆图案喷印10-20次。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)利用数字化印刷技术可方便进行图案化的优势，形成催化析氢活性物质的三维立体图形化结构，进一步提高催化析氢活性位点的暴露数量；(2)加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮可有效促进体材二硫化钼的剥离，减小片层的径向尺寸，并阻止二硫化钼纳米片层的重堆叠，从而提高催化析氢活性位点的数量；(3)加入重堆积抑制剂还原氧化石墨烯，提供片层二硫化钼的分散锚点，进一步阻止二硫化钼纳米片层的堆积，提高催化析氢活性位点的暴露数量；(4)具有高表面粗糙度的电极基底可有效增大比表面积，从而提高催化析氢活性位点的暴露数量；(5)本专利技术制备的催化析氢电极具有很高的催化析氢活性；(6)本专利技术的技术方案非常易于实施，制备成本低，且可实现大批量制备。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本专利技术实施例1得到的Teslin纸基上三维催化析氢电极的光学显微镜照片；图2是本专利技术实施例1得到的Teslin纸基上三维催化析氢电极的线性扫描伏安曲线图和Tafel曲线图；图3是本专利技术实施例2得到的Teslin纸基上平面催化析氢电极的线性扫描伏安曲线图以及Tafel曲线图；图4是本专利技术对比例1得到的Teslin纸基上平面催化析氢电极的线性扫描伏安曲线图以及Tafel曲线图；图5是本专利技术对比例2得到的Teslin纸基上三维催化析氢电极的线性扫描伏安曲线图以及Tafel曲线图；图6是本专利技术对比例3得到的Teslin纸基上三维催化析氢电极的线性扫描伏安曲线图以及Tafel曲线图；图7是本专利技术对比例2中二硫化钼(a)、对比例3中二硫化钼/聚乙烯吡咯烷酮(b)、实施例1中二硫化钼/聚乙烯吡咯烷酮/还原氧化石墨烯(c)的SEM图；图8是本专利技术对比例2中二硫化钼、对比例3中二硫化钼/聚乙烯吡咯烷酮、实施例1中二硫化钼/聚乙烯吡咯烷酮/还原氧化石墨烯的紫外-可见吸收光谱图；图9是本专利技术对比例4得到的聚酰亚胺基底上三维催化析氢电极的线性扫描伏安曲线图以及Tafel曲线图。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法，包括如下步骤：[1]制备包含有二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法，其特征在于，包括如下步骤：[1]制备包含有二硫化钼纳米薄片的分散液；[2]将步骤[1]制备的包含二硫化钼纳米薄片的分散液作为印刷油墨，采用喷墨印刷法在电极基底上形成立体图案化二硫化钼基催化析氢电极。

【技术特征摘要】
1.一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法，其特征在于，包括如下步骤：[1]制备包含有二硫化钼纳米薄片的分散液；[2]将步骤[1]制备的包含二硫化钼纳米薄片的分散液作为印刷油墨，采用喷墨印刷法在电极基底上形成立体图案化二硫化钼基催化析氢电极。2.按照权利要求1所述的一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法，其特征在于，所述包含有二硫化钼纳米薄片的分散液的制备方法为：[1-1]采用液相超声剥离法得到包含二硫化钼纳米薄片的悬浮液，在所述液相超声剥离法中的剥离溶剂中添加表面活性剂和重堆积抑制剂；[1-2]对步骤[1-1]得到的包含二硫化钼纳米薄片的悬浮液进行离心分离，取三分之二处上清液得到二硫化钼基纳米薄片分散液。3.按照权利要求2所述的一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法，其特征在于：所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。4.按照权利要求3所述的一种充分暴露二硫化钼活性位的催化析氢电极的构筑方法，其特征在于：在步骤[1-1]所述液相超声剥离过程中，加入剥离溶剂中的聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈金菊，李培真，冯哲圣，王焱，陈龙，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51