一种MoSx/碳黑纳米复合材料、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术实施例公开了一种MoSx/碳黑纳米复合材料、其制备方法及其应用，其中，所述MoSx/碳黑纳米复合材料中，2≤x≤2.3，且基于所述纳米复合材料的总质量，所述MoSx的质量百分数为5‑50％。本发明专利技术制备的MoSx/碳黑纳米复合材料与商用的20％Pt/C催化剂相比，性能相当甚至提高了约20％。另外制备的MoSx/碳黑纳米复合材料还具有良好的催化稳定性，在进行5000次催化循环之后，其催化性能没有明显下降。

【技术实现步骤摘要】
一种MoSx/碳黑纳米复合材料、其制备方法及其应用
本专利技术涉及复合材料领域，特别涉及一种MoSx/碳黑纳米复合材料、其制备方法及其应用。
技术介绍
氢气作为清洁新能源对于环境保护、能源安全都有重大的意义。如何大规模制备氢气是商业规模利用氢能源的基本问题。电化学析氢反应(HydrogenEvolutionReaction,HER)被视为规模化制备氢气的可行方案，但是该反应在阴极上有较高的阴极过电势，从而导致制备氢气的能耗成本大幅提升。铂系贵金属作为该反应的催化剂，能够很好地降低阴极过电势，但是由于铂系贵金属在地球上的储量有限，无法满足大规模应用的需求。因此，寻找替代的催化材料，降低阴极过电势从而降低生产成本，成为研究者关注的重点内容。二硫化钼是一种具有类似石墨结构的层状结构化合物。块材的二硫化钼用作HER的催化剂时具有较高的过电势，而当其层数减少到寡层乃至单层之后，其物理化学性质会发生明显的变化，研究者通过理论计算说明寡层的二硫化钼材料具有较好的HER催化活性(BeritH.,PoulG.M.,Bonde,K.P.J.Nielsen,S.Chorkendorff,J.KoftheAmericanChemistrySociety2005,127,5308-5309)。目前已有很多关于二硫化钼复合材料的文献(a,LiY.,WangH.,XieL,LiangY.,HongG.,DaiH.,JournaloftheAmericanChemistrySociety2011,133,7296–7299；b,BindumadhavanK.,SrivasataS.K.,MahantyS.ChemicalCommunications2013,49,(18),1823-1825)和专利(例如，中国专利技术专利ZL201210326035.5)报道。但是目前这些研究中，复合材料的制备方法一般非常复杂，多使用有机溶剂，而且催化性能和铂系贵金属催化剂相比仍有较大差距。
技术实现思路
本专利技术实施例公开了一种MoSx/碳黑纳米复合材料(Mo代表钼元素，S代表硫元素)、其制备方法及其应用，用于解决现有的MoS2复合材料的催化性能和铂系贵金属催化剂(例如，商用的20％Pt/C催化剂)相比仍有较大差距的问题。技术方案如下：本专利技术第一方面提供了一种MoSx/碳黑纳米复合材料，其中，2≤x≤2.3，且基于所述纳米复合材料的总质量，所述MoSx的质量百分数为5-50％。在本专利技术第一方面的一种优选实施方式中，在该纳米复合材料中，MoSx以层状结构分散于碳黑中，且层状结构所形成的聚集体中包含的MoSx的层数在10层以下，优选8层以下。在本专利技术第一方面的一种优选实施方式中，其中，2.01≤x≤2.20。在本专利技术第一方面的一种优选实施方式中，MoSx中同时含有1T型结构和2H型结构，优选地，40-60％的MoSx为1T型结构。本专利技术第二方面提供了前述的纳米复合材料的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：(1)将碳黑分散于水中，优选地超声分散10-30分钟，得到碳黑分散液；(2)将硫源和钼源加入到碳黑分散液中，得到混合溶液；(3)将所述混合溶液进行水热反应，其中，反应温度为180-240℃，反应时间为15-30小时；反应结束后，经分离、干燥即可得到所述纳米复合材料。在本专利技术第二方面的一种优选实施方式中，所述硫源和钼源为同一化合物，且该化合物在混合溶液中的浓度为1-10mg/mL，该化合物优选选自四硫代钼酸铵、四硫代钼酸钠中的至少一种。在本专利技术第二方面的一种优选实施方式中，所述硫源和钼源为不同的化合物，硫源在混合溶液中的浓度为2-40mg/mL，钼源在混合溶液中的浓度为1-10mg/mL。在本专利技术第二方面的一种优选实施方式中，所述硫源选自硫脲、硫代硫酸钠中的至少一种；所述钼源选自钼酸铵、五氯化钼、钼酸钠中的至少一种。在本专利技术第二方面的一种优选实施方式中，碳黑与水的配比为1-16mg：1mL，所述碳黑选自于乙炔黑、卡博特碳黑、科琴黑中的至少一种，优选为卡博特碳黑XC-72、卡博特碳黑XC-72R或卡博特碳黑BP-2000中的至少一种。本专利技术第三方面提供了前述的MoSx/碳黑纳米复合材料在电化学析氢反应中的应用。本专利技术第四方面提供了一种阴极电极，其中，所述阴极电极包括基底电极和涂覆在所述基底电极表面的、前述的MoSx/碳黑纳米复合材料，所述基底电极为惰性电极，优选选自金电极、铂电极、玻碳电极、石墨电极、ITO电极或FTO电极。本专利技术第五方面提供了一种电解水制氢装置，其中，所述装置包括前述的阴极电极。本专利技术第六方面提供了一种氢燃料电池装置，其中，所述氢燃料电池装置包括氢燃料电池本体和前述的电解水制氢装置。本专利技术第七方面提供了一种电动设备，其中，所述电动设备包括前述的氢燃料电池装置，所述电动设备优选为电动汽车、电动三轮车或电动自行车。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术选用高导电性的碳黑材料作为复合材料中的碳源，用水热法制备MoSx/碳黑纳米复合材料，其中，碳黑材料一方面可以增强MoSx/碳黑纳米复合材料的导电性能；另一方面可以减少MoSx片层的聚集，从而增加MoSx催化活性位点数量；另外，碳黑材料和MoSx材料之间的电子效应可以增加MoSx的固有催化性能，同时碳黑材料形成三维网络结构有利于电解液和纳米复合材料的充分接触；因此，本专利技术所制备的MoSx/碳黑纳米复合材料对电催化析氢反应的催化性能好于其它的含有二硫化钼的催化剂的性能；当采用本专利技术制备的MoSx/碳黑纳米复合材料用作电催化析氢反应催化剂时，当其过电势为300mV时，其电流密度可以达到300mA/cm2以上，最大可以达到465mA/cm2，而采用商用的20％Pt/C催化剂进行电催化析氢反应时，当其过电势为300mV时，其电流密度只有370mA/cm2；可见，本专利技术制备的MoSx/碳黑纳米复合材料与商用的20％Pt/C催化剂相比，性能相当甚至提高了约20％，并且具有良好的催化稳定性，在进行5000次催化循环之后，其催化性能仍没有明显下降。(2)相对于传统的气相沉积或者溶剂热法，水热法所采用的制备装置简单，反应条件温和，不使用有机溶剂、环境污染小，操作简单，重复性好，能耗低，适用性强，可进行宏量制备，有良好的工业前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为实施例1制备MoSx/碳黑纳米复合材料原理和过程示意图；图2为实施例1制备的MoSx/碳黑纳米复合材料的透射电子显微镜(TEM)图；图3为实施例1制备的MoSx/碳黑纳米复合材料的X射线衍射(XRD)图；图4A为实施例1制备的MoSx/碳黑纳米复合材料的X射线光电子能谱(XPS)全谱图；图4B为Mo4+的XPS高分辨图；图5为实施例1制备的MoSx/碳黑纳米复合材料和乙炔黑的拉曼(Raman)光谱图，其中，曲线a为实施例1制备的MoSx/碳黑纳米复合材料的Raman图，曲线b为乙炔黑的Raman图；图6为实施例1制备的MoSx/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MoS

【技术特征摘要】
1.一种MoSx/碳黑纳米复合材料，其中，2≤x≤2.3，优选为2.01≤x≤2.20；且基于所述纳米复合材料的总质量，所述MoSx的质量百分数为5-50％。2.如权利要求1所述的纳米复合材料，其中，在该纳米复合材料中，MoSx以层状结构分散于碳黑中，且层状结构所形成的聚集体中包含的MoSx的层数在10层以下，优选8层以下。3.如权利要求1所述的纳米复合材料，其中，MoSx中同时含有1T型结构和2H型结构，优选地，40-60％的MoSx为1T型结构。4.如权利要求1-3中任一项所述的纳米复合材料的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：(1)将碳黑分散于水中，优选地超声分散10-30分钟，得到碳黑分散液；(2)将硫源和钼源加入到碳黑分散液中，得到混合溶液；(3)将所述混合溶液进行水热反应，其中，反应温度为180-240℃，反应时间为15-30小时；反应结束后，经分离、干燥即可得到所述纳米复合材料。5.如权利要求4所述的纳米复合材料的制备方法，其中，所述硫源和钼源为同一化合物，且该化合物在混合溶液中的浓度为1-10mg/mL，该化合物优选选自四硫代钼酸铵、四硫代钼酸钠中的至少一种；或所述硫源和钼源为不同的化合物，硫源在...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟茂林，曹朋飞，彭静，李久强，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11