一种过渡族金属化合物析氢薄膜及射频反溅改性制备方法技术

本发明专利技术涉及电催化析氢技术领域，具体涉及一种过渡族金属化合物析氢薄膜，包括基底层和析氢催化层，所述析氢催化层设置在所述基底层的表面，所述析氢催化层为过渡族金属硫化合物、过渡族金属硒化合物和过渡族金属碲化合物中的一种所形成的薄膜，通过射频反溅产生的被离化的Ar等离子体随机辐照样品产生刻蚀效果，形成整个析氢薄膜平面内的随机刻蚀，使得析氢薄膜的催化活性得到显著提高。薄膜的催化活性得到显著提高。薄膜的催化活性得到显著提高。

【技术实现步骤摘要】
一种过渡族金属化合物析氢薄膜及射频反溅改性制备方法


[0001]本专利技术涉及电催化析氢
，具体涉及一种过渡族金属化合物析氢薄膜及射频反溅改性制备方法。

技术介绍

[0002]近些年，由于对能源和环境保护的需求不断增加，氢能作为一种绿色高热值能源燃料受到了极大的关注。电解水制氢通常使用贵金属Pt作为催化剂，主要是因为Pt具有较低的析氢过电位和HER的快速动力学。然而，Pt的高成本和低稳定性等问题严重阻碍了氢能生产的大规模商业化。因此，开发高效、稳定、廉价的可替代Pt的非贵金属催化剂具有重要意义。
[0003]许多非贵金属材料，如过渡金属硫化合物、硼化合物、氮化合物和金属合金等，已被广泛研究用于析氢催化。科学家通过实验和理论证明过渡金属硫化合物(TMDs)如WS2的边缘S位点具有高催化活性，然而WS2面内原子位点催化活性低，限制了电子转移能力，导致HER动力学反应缓慢。目前有两个方法可以最大程度优化WS2的催化活性。其一，可以通过增加WS2金属相比例，提高WS2本征电导率从而增强HER活性。现在所研究的1T
‑
WS2，由于其具有相对于2H
‑
WS2较高的形成能，直接合成1T
‑
WS2(尤其是1T
′‑
WS2，形成能最高，约0.89eV，为稳态结构)面临巨大挑战。有人通过湿法化学或者剥离法可以从2H
‑
WS2得到1T(1T')/2H混合相的WS2，但是通过这类方法合成的金属相在空气中不稳定，无法有效持续用于HER催化。其二，可以通过增加反应活性位点提高HER催化活性。有人通过引入金属单原子催化剂(SACs)锚定在WS2载体上可以最大化增加金属催化剂的催化活性，提高金属原子利用率。还有人通过氩等离子体刻蚀技术有效增大了WS2的活性比表面积，提高了活性位点数量，进而优化了HER催化。但是，通过射频反溅法刻蚀改性WS2薄膜提高HER催化活性尚未有所报道。

技术实现思路

[0004]针对上述缺陷，本专利技术提出一种过渡族金属化合物析氢薄膜，包括基底层和析氢催化层，所述析氢催化层设置在所述基底层的表面，所述析氢催化层为过渡族金属硫化合物、过渡族金属硒化合物和过渡族金属碲化合物中的一种所形成的薄膜。
[0005]优选的，所述析氢催化层为MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、MoTe2和WTe2中的一种材料所制成的薄膜。
[0006]优选的，所述基底层由金属或者陶瓷制成；
[0007]当基底层为金属时，金属为V、Nb、Ta、Mo、Ni、Ti、Pd、Pt、多孔不锈钢、V/Ni合金、V/Cr合金、V/Cu合金、V/Fe合金、V/Al合金、V/Co合金、V/Mo合金、V/W合金、V/Ti/Ni合金、V/Fe/Al合金、V/Mo/W合金、Nb/Ti/Ni合金、Nb/Ti/Co合金、Nb/Mo/W合金中的一种；
[0008]当基底层为陶瓷时，陶瓷为多孔氧化铝陶瓷片/管、多孔氧化锆陶瓷片/管和沸石中的一种。
[0009]一种过渡族金属化合物析氢薄膜的射频反溅改性制备方法，其特征在于，按照以
下步骤：
[0010]步骤一：对基底层进行预处理；
[0011]步骤二：利用离子束对基底层表面进行清洗；
[0012]步骤三：采用化学气相沉积、水热合成、磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发、脉冲沉积、分子束外延和原子层沉积中的一种在基底层表面形成析氢催化层；
[0013]步骤四：利用射频反溅的方式在析氢催化层的表面辐照出刻蚀。
[0014]优选的，在步骤一中，依次采用丙酮和无水乙醇超声清洗基底层5
‑
15min，重复2
‑
3次，然后使用去离子水冲洗1
‑
2分钟，再进行干燥。
[0015]优选的，在步骤三中，采用磁控溅射在基底层表面形成析氢催化层。
[0016]优选的，步骤二中清洗条件包括：溅射腔内真空度小于10
‑4Pa、基底温度为25
‑
600℃、基底负偏压为0
‑
300V、通入氩气流量为3
‑
20sccm、工作压强为0.2
‑
1.0Pa、溅射功率为0
‑
300V、辐照时间为5
‑
10min。
[0017]步骤三磁控溅射的条件包括：溅射腔内真空度小于10
‑4Pa、基底层温度为25
‑
600℃、基底层负偏压为0
‑
500V、通入氩气流量为3
‑
30sccm、工作压强为0.2
‑
2.0Pa、溅射功率为0
‑
300V、辐照时间为5
‑
100min；
[0018]步骤四中射频反溅的的条件包括：溅射腔内真空度小于10
‑4Pa、通入氩气流量为3
‑
70sccm、工作压强为1.0
‑
50Pa、溅射功率为0
‑
300V、辐照时间为0
‑
5min。
[0019]优选的，一种过渡族金属化合物析氢薄膜在电催化析氢中的应用。
[0020]与现有技术比较，采用射频反溅法对析氢催化层进行表面修饰，射频反溅是一种为了达到清洗已经镀完膜的材料这一目的的工艺方法，通过射频反溅产生的被离化的Ar等离子体随机辐照样品产生刻蚀效果，形成整个析氢薄膜平面内的随机刻蚀，使得析氢薄膜的催化活性得到显著提高。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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。
[0022]图1为析氢薄膜的结构示意图；
[0023]图2为本专利技术的射频反溅刻蚀改性过渡族金属硫化合物薄膜的示意图；
[0024]图3为实施例二在溅射功率为0V、辐照时间为0min时刻蚀改性WS2薄膜的表面形貌照片；
[0025]图4为实施例三在溅射功率为100V、辐照时间为2min时刻蚀改性WS2薄膜的表面形貌照片；
[0026]图5为实施例四在溅射功率为150V、辐照时间为2min时刻蚀改性WS2薄膜的表面形貌照片；
[0027]图6为实施例五在溅射功率为200V、辐照时间为2min时刻蚀改性WS2薄膜的表面形貌照片；
[0028]图7为实施例六在溅射功率为150V、辐照时间为1min时刻蚀改性WS2薄膜的表面形
貌照片；
[0029]图8为实施例七在溅射功率为150V、辐照时间为3min时刻蚀改性WS2薄膜的表面形貌照片；
[0030]图9为实施例二
‑
七不同射频溅射功率和辐照时间改性后的的WS2薄膜进行了线性扫描伏安曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种过渡族金属化合物析氢薄膜，其特征在于：包括基底层(1)和析氢催化层(2)，所述析氢催化层(2)设置在所述基底层(1)的表面，所述析氢催化层(2)为过渡族金属硫化合物、过渡族金属硒化合物和过渡族金属碲化合物中的一种所形成的薄膜。2.根据权利要求2所述的一种过渡族金属化合物析氢薄膜，其特征在于，所述析氢催化层(2)为MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、MoTe2和WTe2中的一种材料所制成的薄膜。3.根据权利要求1所述的一种过渡族金属化合物析氢薄膜，其特征在于，所述基底层(1)由金属或者陶瓷制成；当基底层(1)为金属时，金属为V、Nb、Ta、Mo、Ni、Ti、Pd、Pt、多孔不锈钢、V/Ni合金、V/Cr合金、V/Cu合金、V/Fe合金、V/Al合金、V/Co合金、V/Mo合金、V/W合金、V/Ti/Ni合金、V/Fe/Al合金、V/Mo/W合金、Nb/Ti/Ni合金、Nb/Ti/Co合金、Nb/Mo/W合金中的一种；当基底层(1)为陶瓷时，陶瓷为多孔氧化铝陶瓷片/管、多孔氧化锆陶瓷片/管和沸石中的一种。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的一种过渡族金属化合物析氢薄膜的射频反溅改性制备方法，其特征在于，按照以下步骤：步骤一：对基底层(1)进行预处理；步骤二：利用离子束对基底层(1)进行清洗；步骤三：采用化学气相沉积、水热合成、磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发、脉冲沉积、分子束外延和原子层沉积中的一种在基底层(1)表面形成析氢催化层(2)；步骤四：利用射频反溅的方式在析氢催化层(2)的表面辐照出刻蚀。5.根据权利要求4所述的一种过渡族金属化合物析氢薄膜的射频反溅改性制备方法，其特征在于，在步骤一中，依次采用丙酮和无水乙醇超声清洗基底层5
‑
15min，重复2
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新中，尹相鑫，刘京京，
申请(专利权)人：曾祥燕，
类型：发明
国别省市：