一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂及其制备和应用制造技术

本发明专利技术提供一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂，其制备方法包括：以去离子水、N,N‑二甲基酰胺作为溶剂，将有机硫化物、钼盐化合物和碳纳米管按先混合钼盐溶液和硫源化合物，再加入碳纳米管溶液的顺序分别加入所述溶剂中并充分搅拌均匀，进行水热反应，离心分离并分别用水和乙醇洗涤，干燥后得到固体粉末；冷却到室温得到产品；使用方法为：向硫酸溶液中加入本发明专利技术催化剂，以三电极为工作系统完成电催化析氢反应。本发明专利技术制备的电催化剂，其中与碳纳米管复合的二硫化钼层间距发生可控改变，暴露更多反应活性位点，提高了二硫化钼的电催化析氢性能；生长在碳纳米管上的二硫化钼具有花片状结构提升比表面积，展现了卓越的吸附能力。

【技术实现步骤摘要】
一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂及其制备和应用
本专利技术涉及电催化材料领域，更具体地说，涉及一种有机硫化物合成的具有可控层间距的二硫化钼与碳纳米管复合材料电催化剂的制备及电催化析氢应用。
技术介绍
随着人们对能源的需求日益加深，如何利用清洁、廉价、可靠的能源来缓解激增的能源消耗这一问题变得更加严峻。为了满足能源需求，人们进行了许多探索。其中，电催化技术引起了人们的极大关注，电催化反应过程的产物为未来提供了可持续发展的基础。例如，在电催化反应中占据重要位置的析氢反应。析氢反应作为一种绿色的收集氢气的方法，已经吸引了人们的目光。根据前期的研究发现，铂(Pt)族金属等贵金属在酸性介质中以高电流密度和低过电位表现出高效的电催化析氢性能。然而，贵金属由于储量有限且成本较高，大大限制了电催化析氢方面的发展。在过去的几十年里，人们为了使电催化反应更经济适用，不断研究过渡金属化合物等无贵金属材料。其中二硫化钼(MoS2)是一种很有发展潜力的电催化剂。根据理论和实验研究表明，MoS2边缘数量的增强是其催化活性的关键因素。MoS2层与层之间是由较弱的范德华力维系，因此很容易剥离成层数较少的半导体材料，从而改善块状MoS2的催化性能。尽管如此，传统的MoS2仍表现出较低的电催化析氢性能。因此，专利技术一种具有可控层间距的二硫化钼与碳纳米管复合材料电催化剂，不仅解决现有技术电催化析氢性能差的问题，而且还能使复合碳纳米管后的二硫化钼拥有可调控的层间距。
技术实现思路
本专利技术提供了一种二硫化钼与碳纳米管复合材料电催化剂，以解决现有技术电催化析氢性能差的问题，同时使复合碳纳米管后的二硫化钼拥有可调控的层间距。为了实现上述目的，本专利技术提供一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂，生长在碳纳米管上的二硫化钼具有N掺杂和硫空位的花片状结构。一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1、将钼盐化合物溶于蒸馏水中，搅拌均匀；S2、将有机硫化物均匀分散于N,N-二甲基酰胺溶液中；S3、将碳纳米管均匀分散于体积比1:2的蒸馏水和N,N-二甲基酰胺溶液的混合溶剂中；S4、先将S1制备的溶液和S2制备的溶液混合并搅拌均匀后，再加入S3制备的溶液搅拌均匀；S5、将S4制备的溶液在1～2MPa、160～200℃条件下高压恒温反应20～30h；S6、冷却至室温在6000rpm下进行离心分离并分别用水和乙醇溶液洗4～8次，在50～80℃下真空干燥后收集粉末，得到MoS2/CNT。优选方式下，所述钼盐化合物包括钼酸钠、五氯化钼或钼酸铵。优选方式下，所述有机硫化物包括二硫代草酰胺、硫脲或L-半胱氨酸。优选方式下，步骤S5中填充溶液的体积占高压反应装置的比例为60～90％。优选方式下，所述的二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1、将0.1～0.2g钼盐化合物溶于10～20mL蒸馏水中，搅拌均匀；S2、将0.05～0.1g有机硫化物均匀分散于10～20mL的N,N-二甲基酰胺溶液中；S3、将0.1～0.3g碳纳米管均匀分散于10～20mL蒸馏水和N,N-二甲基酰胺溶液体积比1:2的混合溶剂中；S4、先将S1制备的溶液和S2制备的溶液混合并搅拌均匀后，再加入S3制备的溶液搅拌均匀；S5、将S4制备的溶液在1～2MPa、160～200℃条件下高压恒温反应20～30h；S6、冷却至室温进行离心分离并分别用水和乙醇溶液洗4～8次，在50～80℃下真空干燥后收集粉末，得到MoS2/CNT。一种所述二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂的使用方法，包括如下步骤：S1、将所述MoS2/CNT催化剂分散在Nafion溶液、去离子水和无水乙醇的混合溶液中；S2、在0℃、频率为53kHz的条件下，超声处理形成均匀的油墨状溶液后，滴加到电极上并干燥；S3、设置好参比电极、对电极、工作电极；S4、以0.5～1M的H2SO4为电解质溶液进行电催化。优选方式下，所述的二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将1～10mg所述MoS2/CNT催化剂分散在含有5～10μLNafion溶液、500～1000μL去离子水和100～500μL无水乙醇的混合溶液中；S2、在0℃、频率为53kHz的条件下，超声处理形成均匀的油墨状溶液后，滴加到电极上并干燥；S3、参比电极和对电极分别采用饱和甘汞电极和石墨电极，工作电极采用玻碳电极；S4、以0.5～1M的H2SO4为电解质溶液进行电催化。本专利技术制备的电催化剂为MoS2/CNT，其中与碳纳米管复合的二硫化钼层间距发生可控的改变，暴露更多的反应活性位点，从而提高了二硫化钼的电催化析氢性能；同时，花片状二硫化钼生长在碳纳米管上的复合结构拥有一个高的比表面积，展现了卓越的吸附能力。综上，本专利技术不仅具有良好的电催化析氢性能，还能使复合碳纳米管后的二硫化钼拥有可调控的层间距。在三电极工作系统下，以0.5M的H2SO4为电解液，当电流密度为1mA/cm2时，MoS2/CNT的过电位为138mV，比传统MoS2低100mV，比现有技术中二硫化钼生长在碳纳米纤维上的复合材料低62mV。本专利技术绿色环保无害、操作简单、材料来源广泛、对特殊设备要求低、可控性强、可进行批量生产，在能源、锂电池和环境污染与治理等领域具有广阔的应用前景。附图说明图1为实施例1催化剂的XRD衍射图；图2为实施例1催化剂的TEM图；图3为实施例1～4催化剂的LSV极化曲线；图4为实施例1～4催化剂的交流阻抗图；图5为实施例1催化剂的循环稳定性图。具体实施方式本专利技术是一种可控层间距二硫化钼/碳纳米管的电催化析氢电催化剂的制备方法和应用，属于电催化材料制备
该方法包括如下步骤：将有机硫源、钼酸盐和碳纳米管分别溶解在溶剂中；将钼盐和硫源混合后加入碳纳米管溶液，进行水热反应；离心分离并分别用水和乙醇洗涤；干燥后得到固体粉末；冷却到室温得到产品。向硫酸溶液中加入上述催化剂，以三电极为工作系统完成电催化析氢反应。具体如下：S1、将10～20mL去离子水、10～20mL的N,N-二甲基酰胺1:2混合作为溶剂，将0.05～0.1g有机硫化物、0.1～0.2g钼盐化合物和0.1～0.3g碳纳米管按先混合钼盐溶液和硫源化合物，再加入碳纳米管溶液的顺序分别加入所述溶剂，并充分搅拌均匀5～30min。所述含钼盐化合物包括钼酸钠、五氯化钼或钼酸铵；所述有机硫化物包括二硫代草酰胺、硫脲或L-半胱氨酸。S2、装入高压反应釜中，进行160～200℃恒温反应20～30h。其中，反应时填充溶液的体积占高压釜内衬体积的比例为60％～90％。S3、然后冷却至室温，于6000rpm离心分离5min，再并分别用水和乙醇溶液洗4～8次，在5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂，其特征在于，生长在碳纳米管上的二硫化钼具有N掺杂和硫空位的花片状结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂，其特征在于，生长在碳纳米管上的二硫化钼具有N掺杂和硫空位的花片状结构。


2.一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂的制备方法，包括如下步骤：
S1、将钼盐化合物溶于蒸馏水中，搅拌均匀；
S2、将有机硫化物均匀分散于N,N-二甲基酰胺溶液中；
S3、将碳纳米管均匀分散于体积比1:2的蒸馏水和N,N-二甲基酰胺溶液的混合溶剂中；
S4、先将S1制备的溶液和S2制备的溶液混合并搅拌均匀后，再加入S3制备的溶液搅拌均匀；
S5、将S4制备的溶液在1～2MPa、160～200℃条件下高压恒温反应20～30h；
S6、冷却至室温在6000rpm下进行离心分离并分别用水和乙醇溶液洗4～8次，在50～80℃下真空干燥后收集粉末，得到MoS2/CNT。


3.根据权利要求2所述的二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述钼盐化合物包括钼酸钠、五氯化钼或钼酸铵。


4.根据权利要求2所述的二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述有机硫化物包括二硫代草酰胺、硫脲或L-半胱氨酸。


5.根据权利要求2所述的二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S5中填充溶液的体积占高压反应装置的比例为60～90％。


6.根据权利要求2～5任一所述的二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将0.1～0.2g钼盐化合物溶于10～20mL蒸馏水中，搅拌均匀；
S2、将0.05～...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晓丽，许文文，王宇，郑楠，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21