一种单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器及其合成方法和应用技术

本发明专利技术属于过渡金属材料微结构精准调控领域，涉及一种单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器及其合成方法和应用。通过严格控制胶束前期的形成和后期的生长过程、以及梯度调制前驱体的热处理工艺，精准制备出具有分子级碳插层的单分散体型MoS2/C纳米反应器：制备的纳米反应器具有单分散、粒径均匀、壁厚可调、核大小可调、富硫空位的特点。有限元模拟分析表明：不同几何构型的材料具有差异的介观流体传质行为，包括流体流速和压力场分布，这将直接决定材料的催化动力学过程，所制备的纳米反应器也由此展现出不同的电催化水氧化性能，该纳米反应器可作为非碳基催化剂宿主，用于制备高活性和高稳定性的单原子和多原子催化剂。化剂。化剂。

【技术实现步骤摘要】
一种单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器及其合成方法和应用


[0001]本专利技术属于过渡金属材料微结构精准调控领域，涉及一种单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器及其合成方法和应用。

技术介绍

[0002]电化学精炼技术包括二氧化碳还原、氮还原、氧还原、电解水和金属空气电池等是实现碳中和的可持续途径，其中发生在阳极的电化学产氧反应表现出巨大的应用潜力。但水氧化过程中通常涉及多步的电极反应，需要克服较大的能垒，导致缓慢的动力学氧化反应。尽管贵金属表现出高效的催化活性，但这类催化剂稀缺和昂贵的特点使其大范围和长久应用成为障碍。基于此，设计高活性和高稳定性的非贵金属基催化剂显得极为重要和迫切。
[0003]我国具有丰富的钼矿资源优势，洛阳的三道庄钼矿是已探明世界钼储量最大的钼矿，钼及相关材料是我国极为宝贵的战略资产，但在相关生产企业中，仍存在如何提高钼的科技含量和技术竞争力问题。类石墨烯结构的MoS2是钼基材料的典型代表，具有优异的电子特性，在电化学催化方面具有巨大的应用潜力。研究人员已经合成各种二维MoS2材料，然而，在电极制备过程中由于材料本身的范德华力，容易因再次团聚失活，同时在电催化反应过程中容易发生结构破坏导致活性材料流失，这些因素对高活性和高稳定硫化钼基催化剂的开发极其不利（Energ. Environ. Sci., 2016, 9, 1190）。
[0004]优化电极表面的电解液传质和催化剂中的活性位点是解决以上难题的有效策略。对于发生在气
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液/>‑
固三相界面上的电化学水氧化过程来说，宏观层面的流体传质目前已经得到很大的改善（Nat. Catal., 2020, 3, 125; Nat. Commun., 2020, 11, 1731），但介尺度（宏观和微观之间：纳米
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毫米）的流体传质仍需要进一步的优化。在这种情况下，介观传质过程将成为类石墨烯MoS2催化剂水氧化反应的决速因素。为了最大限度地提高活性材料催化效率及稳定性，需要设计具有高电解质渗透性的体型开放式结构，对体型复杂结构的精确控制能够保留二维材料的优异特性，同时避免多层堆叠，以此保持催化反应活性和稳定性。如文献（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 12600）所述：可利用电化学刻蚀的方法，制备了三维有序交联Pt纳米管，得益于独特的交叉偶联结构，催化剂的介观传质得到一定的提高；又如：专利（CN108014820A）报道了一种具有纳米多层膜结构的二硫化钼电催化剂及其制备方法，利用拉膜法制备出的催化剂具有新型的纳米多层膜结构；再如专利（CN113026053A）公开了一种石墨烯/碳化硅三维复合气凝胶的制备及其负载二硫化钼电催化剂，利用原位化学气相沉积法制备石墨烯/碳化硅和二硫化钼的三维复合材料用于电催化。
[0005]以上方法虽然实现了材料电化学水氧化性能的提升，但在具有高活性位点的催化剂的精准合成方面仍存在：1）对于兼具分子级碳插层和硫空位高活性材料的几何构型不能有效控制；2）尺寸均一性和单分散效果不佳，这直接导致催化剂的介观传质效率受到影响，
也难以真实显示出催化剂的“构
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效关系”。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，专利技术提出一种单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器及其合成方法和应用。
[0007]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器的合成方法，步骤如下：（1）配制钼盐的水相溶液，于室温下将葡萄糖加入钼盐的水相溶液，实现溶液粘度的调节，得溶液Ⅰ；（2）配置阳离子表面活性剂（CSAA）的油相溶液：室温下将阳离子表面活性剂分散至两种不同碳链长度的油相醇，实现表面活性剂的形态的控制，得溶液Ⅱ；（3）将步骤（1）的溶液Ⅰ逐滴加入到步骤（2）的溶液Ⅱ中，控制胶束的反转，胶束形态由油包水型、变成临界型、最后变为水包油型；随后加入盐酸和硫脲，经梯度溶剂热反应，得单分散体型MoS2/CSAA前驱体；（4）将步骤（3）的单分散体型MoS2/CSAA前驱体进行梯度热处理，即得单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器。
[0008]所述步骤（1）中钼盐为钼酸钠或钼酸铵，其浓度为0.01
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1 mmol/mL；葡萄糖与钼盐的物质的量比为（0.1
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10）:1，葡萄糖为水相溶液的粘度调节剂。
[0009]所述步骤（2）中阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基苄基溴化铵或十二烷基二甲基苄基氯化铵中的任一种；油相为两种不同碳链长度的油相醇，其中一种油相醇为正丁醇，另一种油相醇为正戊醇、正己醇、丙三醇、正庚醇、乙二醇、正辛醇、异丙醇中的任一种；正丁醇与另一种油相醇的体积比为1：（0.02
‑
2）。
[0010]所述步骤（3）中溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的体积比为（150
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500）：100；盐酸与溶液Ⅰ中水相的体积比为（0.002
‑
1）：10；加入硫脲的量和钼盐的量摩尔比为（3
‑
30）：1。
[0011]所述步骤（3）中梯度溶剂热反应的条件为，A阶段：160 ℃反应2
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12 h，B阶段220 ℃反应12
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72 h。
[0012]所述步骤（4）中梯度热处理的反应条件为，A阶段：氩气氛围管式炉中180
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300 ℃热处理1
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5 h（阳离子表面活性剂缓慢分解）；B阶段：升温至300
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500 ℃热处理3
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5 h（分解的表面活性剂发生聚合）；C阶段：升温至700 ℃保持0.5
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8 h（使聚合物在层间原位碳化），升温速度为0.5
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2 ℃/min。
[0013]上述的方法合成的单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器，所述纳米反应器为形貌和尺寸均一的单分散空心、核壳和实心构型纳米反应器，且兼具单分子层的碳插层和富硫空位特点，显示出不同的介观传质特性；其中空心构型纳米反应器直径为750 nm，壁厚可分别调控为20，40和75 nm；核壳结构型米反应器的直径为650 nm，壁厚为20 nm，内核尺寸可分别调控为210，300和380 nm；实心构型纳米反应器的直径为540 nm。
[0014]上述的单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器在电化学水氧化中的应用，空心结构材料集介观流体传质和催化位点于一身，在电化学析氧反应中表现出优异的催化效率。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术采用胶束限域的材料合成技术，以葡萄糖为水溶液的粘度调节剂，两种长链醇为油相，通过控制胶束前期的形态和后期的梯度生长，可精准合成出形貌和尺寸可控的单分散空心、核壳和实心构型的MoS2/C纳米反应器，其中：空心构型纳米反应器直径为75本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器的合成方法，其特征在于，步骤如下：（1）配制钼盐的水相溶液，于室温下将葡萄糖加入钼盐的水相溶液，得溶液Ⅰ；（2）配置阳离子表面活性剂的油相溶液，室温下将阳离子表面活性剂（CSAA）分散至油相溶液中，得溶液Ⅱ；（3）将步骤（1）的溶液Ⅰ逐滴加入到步骤（2）的溶液Ⅱ中，控制胶束的反转，随后加入盐酸和硫脲，经梯度溶剂热反应，得单分散体型MoS2/CSAA前驱体；（4）将步骤（3）的单分散体型MoS2/CSAA前驱体进行梯度热处理，即得单分散、分子级碳插层、体型MoS2/C纳米反应器。2. 根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述步骤（1）中钼盐为钼酸钠或钼酸铵，其浓度为0.01
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1 mmol/mL；葡萄糖与钼盐的物质的量比为（0.1
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10）:1。3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述步骤（2）中阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基苄基溴化铵或十二烷基二甲基苄基氯化铵中的任一种；油相为两种不同碳链长度的油相醇，其中一种油相醇为正丁醇，另一种油相醇为正戊醇、正己醇、丙三醇、正庚醇、乙二醇、正辛醇、异丙醇中的任一种；正丁醇与另一种油相醇的体积比为1：（0.02
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2）。4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：所述步骤（3）中溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的体积比为（150
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500）：100；盐酸和溶液Ⅰ中水相的体积比为（0.002
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【专利技术属性】
技术研发人员：巩飞龙，王翊骁，刘梦梦，弓丽华，刘钰恒，马永鹏，孟二超，张永辉，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：