一种分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂及其制备方法和在碱性介质中对氧气的电催化应用。该催化剂是以Na2MoO4和KSCN为原料，采用水热法合成的具有分级结构的MoS2纳米球，此纳米球由无数MoS2纳米片构建而成，导致其具有大的比表面积，而且使MoS2纳米片的边缘位点得到了充分暴露。而且超薄MoS2纳米片单元形成的多孔道花状纳米球增加了其有效的电化学催化面积和催化位点，加速了电子传导速率，因此，有效降低了析氧反应以及氧还原反应的过电位，通过旋转圆盘电极以及旋转环盘电极表明其氧还原过程为4电子催化机理，是较为理想的氧还原反应过程。

Hierarchical structure MoS2 nano ball bifunctional oxygen catalyst and preparation method and application thereof

The invention relates to a hierarchical structure of MoS2 nano ball bifunctional oxygen catalyst, a preparation method thereof, and an electro catalytic application of oxygen in alkaline medium. The catalyst with Na2MoO4 and KSCN as raw material, synthesized by hydrothermal method with MoS2 nanospheres with hierarchical structure, the nanoparticles composed of numerous nano MoS2 construct, which has large specific surface area, and the edge sites of MoS2 nanosheets have been fully exposed. And porous ultrathin MoS2 nanosheets unit formed nanoflower ball increases the effective area of electrochemical catalysis and catalytic sites, accelerate the electron transfer rate, thus effectively reduce the oxygen evolution reaction and oxygen reduction reaction potential, by rotating disc electrode and rotating ring disk electrode showed that the oxygen reduction process 4 electron mechanism of the catalytic reaction process is ideal for oxygen reduction.

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于新能源材料技术以及电化学催化领域，具体涉及分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂；还涉及所述催化剂的制备方法及其在碱性电解水阳极析氧反应和燃料电池阴极氧还原反应中的电催化应用。
技术介绍
：随着人类对清洁和可持续能源需求的不断增加，科学家们将大量精力投入到了高效、低成本和环境友好的能源转换和储存系统的研究与开发方面。其中氧还原反应(ORR)在燃料电池和金属空气电池中普遍存在的阴极反应，析氧反应(OER)则在太阳能燃料合成和水裂解能源存储系统中起着重要的作用。因此，催化剂特别是氧催化剂已是制约新能源装置的主要瓶颈。考虑到催化剂的活性和稳定性，用于ORR反应的催化剂主要有Pt及其合金，而用于OER的催化剂主要有IrO2或RuO2，但是这些贵金属在自然界中非常稀少，价格昂贵，使目前电源装置造价太高。开发高性能、低成本双功能氧催化材料是推动燃料电池及其技术发展亟待解决的关键问题，而开发非贵金属氧催化剂成为了该领域中人们关注的热点课题。近年来，因类石墨烯的结构以及大的比表面积和丰富的不饱和悬挂键，过渡族金属硫化物二维半导体材料在电催化领域引起了人们的广泛关注。其中典型代表为硫化钼(MoS2)，它由两层垂直相对的硫原子层包夹着一层钼原子层以三棱柱形堆积而成，而这些S-Mo-S层通过范德华力连接在一起形成了类石墨烯的层状结构。由于充分暴露的边缘、丰富的活性位点以及大的比表面积，MoS2已在电催化领域得到了广泛应用。如近些年MoS2因为其特殊的结构和电子特性已被证明是优良的析氢反应(HER)催化剂[WuZ,FangB,WangZ,WangC,LiuZ,LiuF.ACSCatal.2013,3,2101-2107.]，也有研究证明其有潜在的ORR催化性能[KibsgaardJ,ChenZ,ReineckeBN,JaramilloTF.Nat.Mater.2012,11,963-969.]。目前的研究还表明，设计MoS2边缘位点充分暴露的纳米结构是提高其电催化性能的有效途径之一。另一方面，目前还未见有关MoS2作为OER和ORR的双功能催化剂的报道。本专利技术以Na2MoO4和KSCN为原料，采用水热法合成了具有分级结构的MoS2纳米球，此纳米球由无数MoS2纳米片构建而成，导致其具有大的比表面积，而且使MoS2纳米片的边缘位点得到了充分暴露，因此，作为双功能氧催化剂，分级结构MoS2纳米球有效降低了OER以及ORR的过电位，通过旋转圆盘电极(RDE)以及旋转环盘电极(RRDE)表明其ORR过程为4电子催化机理，是较为理想的ORR反应过程。该方法所得的分级结构MoS2纳米球氧催化剂充分发挥了MoS2纳米片单元比表面积大、活性位点多等电催化优点，对开发新型电化学催化剂及能源转换和储存器件具有重要的理论和实际意义。
技术实现思路
：针对现有技术的不足以及本领域研究和应用的需求，本专利技术的目的之一是提供一种分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂，即以Na2MoO4和KSCN为原料，采用水热法合成了具有分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂。本专利技术的目的之二是提供一种分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：将5mmolNa2MoO4·2H2O溶解在60ml水中，充分搅拌混合均匀后，向上述溶液中加入15mmolKSCN，搅拌充分溶解后，再向其中加入8ml浓HCl，搅拌均匀，转入100ml水热反应釜中，将盖封好后于120～220℃水热反应12～36h，冷却至室温后离心，再依次用去离子水和无水乙醇洗涤后，50℃真空干燥一夜，得到分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂。制备得到的MoS2催化剂为具有分级结构的纳米球，该纳米球的粒径约为200～300nm，由厚度为2～3nm的MoS2纳米片构建而成，呈现为多孔结构，具有大的比表面积和丰富的边缘位点。本专利技术目的之三是提供一种分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂在在碱性电解水阳极OER和燃料电池阴极ORR中的应用。本专利技术以Na2MoO4和KSCN为原料，采用水热法合成了具有分级结构的MoS2纳米球，此纳米球由无数MoS2纳米片构建而成，导致其具有大的比表面积，而且使MoS2纳米片的边缘位点得到了充分暴露，因此，作为双功能氧催化剂，分级结构MoS2纳米球有效降低了OER以及ORR的过电位，RDE和RRDE表明其ORR过程为4电子催化机理，是较为理想的ORR反应过程。结果表明其ORR过程大部分为4电子催化机理，是较为理想的ORR反应过程。与现有技术相比，本专利技术具有以下主要优点和有益效果：1)本专利技术所述的双功能氧催化剂为非贵金属单一材料，原料易得廉价，制备方便且成本低，可大规模制备；2)本专利技术所述的双功能氧催化剂的甲醇耐受性明显优于商业的MoS2和商业用的20％Pt/C催化剂，在0.1mol/LKOH电解液中加入1mol/L甲醇，催化剂的催化活性几乎没有衰减；3)本专利技术所述的双功能氧催化剂为一种具有分级结构的MoS2纳米球，与商业用的MoS2纳米材料及贵金属催化剂相比，它具有更加优越的OER和ORR双功能催化活性；4)本专利技术所述的双功能氧催化剂与商业的MoS2和商品化20wt％的Pt/C催化剂相比，稳定性得到了明显提高，能在燃料电池长期使用中保持良好的催化活性；5)本专利技术所述的双功能氧催化剂制备方法简单，易于操作，便于大规模生产。附图说明：图1为实施例4所得MoS2纳米球催化剂的扫描电镜图片。图2为实施例4所得MoS2纳米球的XRD图。图3为实施例4所得MoS2纳米球、商业化MoS2和IrO2的OER线性伏安曲线图。图4为实施例4所得MoS2纳米球、商业化MoS2和20wt％的Pt/C催化剂修饰RDE的ORR线性伏安曲线图。图5为实施例4所得MoS2纳米球(a和b)和商业化MoS2(c和d)催化剂修饰RDE的ORR动力学曲线。图6为实施例4所得MoS2纳米球、商业化MoS2和20wt％的Pt/C催化剂修饰RDE的ORR抗甲醇计时电流曲线。图7为实施例4所得MoS2纳米球、商业化MoS2和20wt％的Pt/C催化剂修饰RDE的计时电位曲线图。具体实施方式：为进一步理解本专利技术，下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，但并不以任何方式限制本专利技术。实施例1：将5mmolNa2MoO4·2H2O溶解在60ml水中，充分搅拌混合均匀后，向上述溶液中加入15mmolKSCN，搅拌充分溶解后，再向其中加入8ml浓HCl，搅拌均匀，转入100ml水热反应釜中，将盖封好后于140℃水热反应32h，冷却至室温后离心，再依次用去离子水和无水乙醇洗涤后，50℃真空干燥一夜，得到分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂，比表面积为197.26m2/g。实施例2：将5mmolNa2MoO4·2H2O溶解在60ml水中，充分搅拌混合均匀后，向上述溶液中加入15mmolKSCN，搅拌充分溶解后，再向其中加入8ml浓HCl，搅拌均匀，转入100ml水热反应釜中，将盖封好后于160℃水热反应18h，冷却至室温后离心，再依次用去离子水和无水乙醇洗涤后，50℃真空干燥一夜，得到分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂，比表面积为，202.38m2/g。实施例3：将5mmolNa本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂，其特征在于所述催化剂是以Na2MoO4和KSCN为原料，采用水热法合成的具有分级结构的MoS2纳米球；所述分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤如下：将5mmol Na2MoO4·2H2O溶解在60ml水中，充分搅拌混合均匀后，向上述溶液中加入15mmol KSCN，搅拌充分溶解后，再向其中加入8ml浓HCl，搅拌均匀，转入100ml水热反应釜中，将盖封好后于120～220℃水热反应12～36h，冷却至室温后离心，再依次用去离子水和无水乙醇洗涤后，50℃真空干燥一夜，得到分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂，其特征在于所述催化剂是以Na2MoO4和KSCN为原料，采用水热法合成的具有分级结构的MoS2纳米球；所述分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤如下：将5mmolNa2MoO4·2H2O溶解在60ml水中，充分搅拌混合均匀后，向上述溶液中加入15mmolKSCN，搅拌充分溶解后，再向其中加入8ml浓HCl，搅拌均匀，转入100ml水热反应釜中，将盖封好后于120～220℃水热反应12～36h，冷却至室温后离心，...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹天荣，田夏，罗凯林，郭心洁，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37