一种类蚕茧结构电催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于电催化剂材料技术领域，公开了一种类蚕茧结构电催化剂及其制备方法。本发明专利技术提供的制备方法包括：1)收集蜡烛灰纳米颗粒，该颗粒作为类蚕茧结构的“蚕茧蛹”；2)在蜡烛灰纳米颗粒表面包覆生长层状二硫化钼，该二硫化钼作为类蚕茧结构的“蚕茧壳”。本发明专利技术制备工艺简单，基于易得的蜡烛灰纳米颗粒，利用其表面对二硫化钼进行锚定，形成碳和二硫化钼组成的类蚕茧复合结构单元；该结构使得二硫化钼局限在纳米颗粒表层，增加了催化活性位点数目，进而优化电催化析氢性能。

【技术实现步骤摘要】
一种类蚕茧结构电催化剂及其制备方法
本专利技术涉及电催化剂材料
，尤其涉及一种类蚕茧结构电催化剂及其制备方法。
技术介绍
目前非石化能源制氢逐步发展壮大，以水电解制氢为主的制氢途径备受关注。水电解制氢大规模推广应用面临的主要问题是，如何在相同电流密度下降低电解电压，从而降低电能消耗，提高电解效率。而解决该问题的关键在于水电解电催化剂材料的性能优化，特别是析氢端电催化剂材料的性能优化。二硫化钼是近年来析氢电催化剂材料研究的热点，相对于商业化贵金属电催化剂铂、钯等，具有成本低，原料易得等优点。然而，目前已有研究的二硫化钼电催化剂析氢性能还未能满足实际使用需求。二硫化钼析氢性能优化主要从两方面着手。第一，从二硫化钼的本征性能优化着手，例如激活层状二硫化钼面内活性位点、阴阳离子掺杂、晶相转变等。第二，从增加二硫化钼的活性位点数目着手，例如增加层状二硫化钼边缘活性位点、微纳米结构化、减少二硫化钼层数等。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种类蚕茧结构电催化剂及其制备方法，制备的类蚕茧结构电催化剂增加了二硫化钼催化活性位点数目，进而优化了电催化析氢性能。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种类蚕茧结构电催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1.在蜡烛火焰上方0.5～2cm处收集蜡烛灰纳米颗粒，将所述蜡烛灰纳米颗粒离心，取下层产物并干燥，得到蜡烛灰纳米颗粒粉末；S2.将所述蜡烛灰纳米颗粒粉末浸入钼源溶液中进行超声分散，将超声分散后得到的溶液置于带不锈钢外壳的聚四氟乙烯水热釜内胆中并在80～150℃条件下反应4～22h，收集反应得到的沉淀并进行离心洗涤，干燥后得到类蚕茧结构电催化剂。进一步的，步骤S1所述收集的具体步骤为：将基底置于蜡烛火焰上方并让蜡烛灰纳米颗粒沉积在所述基体表面，然后通过超声洗涤将所述蜡烛灰纳米颗粒从所述基底表面剥离。进一步的，所述基底采用不锈钢片、镍片、泡沫镍片和玻璃片中的一种。进一步的，步骤S2所述带不锈钢外壳的聚四氟乙烯水热釜内胆的溶液填充比为30～80％。进一步的，步骤S2所述钼源溶液中：溶剂为水和乙醇的混合物，所述乙醇和水的体积比为1:0.7～9，溶质为四硫代钼酸铵，浓度为0.1～6mol/L。进一步的，步骤S2中，所述蜡烛灰纳米颗粒粉末与钼源溶液的质量体积比为0.01～0.2g:1mL。本专利技术提供一种根据上述制备方法制备得到的类蚕茧结构电催化剂。进一步的，所述类蚕茧结构电催化剂的内部为蜡烛灰纳米颗粒，所述蜡烛灰纳米颗粒为碳材料，可看作是类蚕茧结构的“蚕茧蛹”部分；所述类蚕茧结构电催化剂的外部边缘为层状二硫化钼，可看作是类蚕茧结构的“蚕茧壳”部分。与现有技术相比，本专利技术提供了一种类蚕茧结构电催化剂及其制备方法，具有以下优点和效果：(1)本专利技术制备方法直接采用易得的蜡烛灰纳米颗粒作为碳材料来源，同时利用蜡烛灰颗粒的纳米尺度，为其表面生长二硫化钼提供高的表面积。(2)利用蜡烛灰纳米颗粒表面对二硫化钼进行锚定，形成类蚕茧复合结构，该结构使得二硫化钼局限在蜡烛灰纳米颗粒表面进行生长，而不是发生团聚生长，生长得到的二硫化钼层数少，使得催化活性位点数目得到了增加；单个蜡烛灰纳米颗粒作为一个类蚕茧结构单元，众多结构单元的形成使得二硫化钼催化活性位点进一步暴露，进而优化电催化析氢性能。附图说明图1是本专利技术实施例1中收集蜡烛灰纳米颗粒过程的光学照片；图2是本专利技术实施例1中收集得到的蜡烛灰纳米颗粒的扫描电镜图片；图3是本专利技术实施例1中收集得到的蜡烛灰纳米颗粒的透射电镜图片；图4是本专利技术实施例1中收集得到的蜡烛灰纳米颗粒的超高分辨率透射电镜图片；图5是本专利技术实施例1中制备得到的类蚕茧结构电催化剂的透射电镜图片；图6是本专利技术实施例1中制备得到的类蚕茧结构电催化剂的超高分辨率透射电镜图片；图7是本专利技术实施例1中制备得到的类蚕茧结构电催化剂和对比例1～4中电催化剂的三电极析氢线性伏安扫描曲线图。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。实施例1本实施例提供一种类蚕茧结构电催化剂的制备方法，具体步骤如下：(一)收集蜡烛灰纳米颗粒：如图1左侧所示，将泡沫镍片放置在蜡烛火焰上方0.5～2cm处收集蜡烛灰纳米颗粒。然后通过超声洗涤将蜡烛灰纳米颗粒从泡沫镍片表面剥离，将剥离出来的蜡烛灰纳米颗粒离心，取下层产物进行干燥，得到蜡烛灰纳米颗粒粉末。图1右侧A为普通的泡沫镍片，整体呈银白色，图1右侧B为收集过蜡烛灰纳米颗粒之后的泡沫镍片，整体呈黑色。图2a和图2b分别展示了本实施例蜡烛灰纳米颗粒在不同放大倍数下的扫描电镜图片，表明该粉末颗粒分散均匀。图3a和图3b分别展示了本实施例蜡烛灰纳米颗粒在不同放大倍数下的透射电镜图片，可以看出该粉末颗粒直径大小在20～40nm之间。图4展示了本实施例蜡烛灰纳米颗粒在超高分辨率下的透射电镜图片，从白色虚线圆框中的单个颗粒可以看出其并无明显的晶格条纹，而是呈无序状，这和碳材料的特征一致。(二)在蜡烛灰纳米颗粒表面包覆生长层状二硫化钼：将78.08g四硫代钼酸铵溶于100mL溶剂中(溶剂为50mL水和50mL乙醇的混合物)，配置成浓度为3mol/L的钼源溶液；将12g蜡烛灰纳米颗粒粉末浸入100mL钼源溶液中进行超声分散；将超声分散后的溶液置于带不锈钢外壳的聚四氟乙烯水热釜内胆中，内胆的溶液填充比为60％，然后将水热釜加热至120℃，反应16h；在釜底收集反应得到的沉淀并进行离心洗涤，干燥后得到表面包覆生长层状二硫化钼的蜡烛灰纳米颗粒，即本实施例类蚕茧结构电催化剂。图5展示了本实施例类蚕茧结构电催化剂透射电镜图片，从图5可以看出类蚕茧结构电催化剂各结构单元依然呈颗粒状，众多结构单元聚集在一起形成类葡萄串形状。图6展示了本实施例类蚕茧结构电催化剂在超高分辨率下的透射电镜图片，从白色虚线圆框中的单个电催化剂颗粒可以看出其内部依旧为蜡烛灰纳米颗粒，并无无明显的晶格条纹；但颗粒外部边缘出现明显的条纹，该条纹即为生长得到的层状二硫化钼，且呈少层结构。(三)类蚕茧结构电催化剂析氢性能分析：采用线性伏安扫描的测试方法对本实施例类蚕茧结构电催化剂进行析氢性能测试。测试使用旋转圆盘电极，采用三电极体系，将本实施例类蚕茧结构电催化剂固定于玻碳电极表面作为工作电极，银/氯化银(内部填充3mol/L氯化钾溶液)为参比电极，碳棒为辅助电极，电解液采用0.5mol/L的硫酸溶液，扫描速率为5毫伏每秒，扫描范围为-0.8伏至-1.6伏。在电化学工作站上(CHI660E，上海辰华仪器有限公司)测试电催化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种类蚕茧结构电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1.在蜡烛火焰上方0.5～2cm处收集蜡烛灰纳米颗粒，将所述蜡烛灰纳米颗粒离心，取下层产物并干燥，得到蜡烛灰纳米颗粒粉末；/nS2.将所述蜡烛灰纳米颗粒粉末浸入钼源溶液中进行超声分散，将超声分散后得到的溶液置于带不锈钢外壳的聚四氟乙烯水热釜内胆中并在80～150℃条件下反应4～22h，收集反应得到的沉淀并进行离心洗涤，干燥后得到类蚕茧结构电催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种类蚕茧结构电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在蜡烛火焰上方0.5～2cm处收集蜡烛灰纳米颗粒，将所述蜡烛灰纳米颗粒离心，取下层产物并干燥，得到蜡烛灰纳米颗粒粉末；
S2.将所述蜡烛灰纳米颗粒粉末浸入钼源溶液中进行超声分散，将超声分散后得到的溶液置于带不锈钢外壳的聚四氟乙烯水热釜内胆中并在80～150℃条件下反应4～22h，收集反应得到的沉淀并进行离心洗涤，干燥后得到类蚕茧结构电催化剂。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述收集的具体步骤为：将基底置于蜡烛火焰上方并让蜡烛灰纳米颗粒沉积在所述基体表面，然后通过超声洗涤将所述蜡烛灰纳米颗粒从所述基底表面剥离。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述基底采用不锈钢片、镍片、泡沫镍片和玻璃片中的一种。

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【专利技术属性】
技术研发人员：周清稳，顾伟诗，陶晗，潘忠芹，叶长青，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32