[发明专利]析氢反应催化剂纳米片层‑石墨烯三维复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于催化材料技术领域，具体涉及一种析氢反应催化剂纳米片层-石墨烯三维复合材料及其制备方法。

背景技术

当今世界的能源和环境问题使得人们去寻找可再生的清洁能源来取代传统的石化能源。而其中氢能源由于其来源广泛而且燃烧产物为水而备受瞩目。然而，到目前为止氢能源主要还是来源于水，而水中产生氢气的高效催化剂是基于金属铂的。金属铂价格昂贵而且抗污染能力以及使用寿命都很差，这就造成了制备氢气的成本居高不下。最近，研究人员发现过渡金属二硫属化合物与氢的结合能与金属铂相近，因而理论上认为其可以取代金属铂作为高效的析氢反应催化剂。实验结果确实证实这些化合物确实能有效的催化析氢反应而从水中产生氢气。例如：《先进材料》（Advanced Materials 2013, 25, 5807）和《自然·材料》（Nature Chemistry 2013, 9, 850）杂志就分别报到了二硫化钼和二硫化钨纳米片层可以作为非常高效的析氢反应催化剂。此外，《材料化学》（Journal of Materials Chemistry A 2014, 2, 360）杂志证明二硒化钼的析氢反应的催化活性比二硫化钼和二硫化钨更好，因为有更加好的电子传导能力。

然而，过渡金属二硫属化合物有个非常明显地缺陷就是和金属铂催化剂相比，他们的催化活性位点少，比表面积小以及电子传导能力差，这些都严重限制了其应用。值得庆幸的是，这些材料都是由片层堆积而成的，因而可以通过剥离得方法提高其比表面积和活性催化位点。《科学》（Science 2011, 331, 568）杂志就首次报到了使用有机溶剂在超声下可以剥离这些过渡金属二硫属化合物，得到单片或者几片层纳米片层。此外，为了增加这些材料的电子传导性能，研究人员将电子传导性能很好地石墨烯材料与其复合得到复合材料。《美国化学会志》（Journal of American Chemistry Society 2011, 133, 7296）首次报道了在氧化石墨烯上生长二硫化钼，其实验结果表明这种复合材料对于析氢反应的催化能力已经快赶上铂催化剂了。然而通过在石墨烯上长过渡金属二硫属化合物方法需要在溶剂热中进行，这种方法并不能保证得到的过渡金属二硫属化合物的形貌、活性位点以及比表面积。本发明即是巧妙地使用了分步的方法，将过渡金属二硫属化合物首先在有机溶剂中剥离成纳米片层，然后加入氧化石墨烯水溶液，通过混合溶剂热的方法让过渡金属二硫属化合物纳米片层和石墨烯片组装形成三维的复合物气凝胶。制备得到的气凝胶不仅有着非常大的比表面积，而且由于有机溶剂参与的还原使其具有非常好的电子传导能力。此外，溶剂热对于过渡金属二硫属化合物纳米片层的进一步切割又能得到过渡金属二硫属化合物量子点，这些量子点具有非常多的析氢反应催化活性位点。实验结果表明这些催化剂具有非常好的析氢反应催化性能和使用寿命，其性能接近于商业化的金属铂催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种催化性能优异的析氢反应催化剂纳米片层-石墨烯三维复合材料及其制备方法。

本发明提供的析氢反应催化剂纳米片层-石墨烯三维复合材料的制备方法，其步骤为：

（1）将0.1-1 g析氢反应催化剂固体置于的有机溶剂中，并超声6-24小时，形成催化剂纳米片层溶液，记为分散液A；

（2）取0.08-0.8 g氧化石墨烯溶于10-100 mL的去离子水中，超声3-24小时，得到均匀分散的氧化石墨烯水溶液，记为分散液B；

（3）将分散液A和分散液B以体积比1:10~4:1混合，并再超声分散0.5~3小时，然后置于水热釜中加热反映，反应温度为140~200 ^oC，反应时间为12~24小时，得到的复合物；待产物冷却后，将复合物置于去离子水中透析5-7天，然后用液氮冷冻，最后置于冷冻干燥机中干燥3-5天，得到目标产物。

本发明中，所述的析氢反应催化剂为二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化钨的一种，或其中几种的混合物。

本发明中，所述的析氢反应催化剂纳米片层的大小为20~200 nm，厚度为1~10 nm。

本发明中，所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲酰胺、甲酰胺、N-甲基咪唑啉酮中的一种，或其中几种的混合物。