[发明专利]一种析氢反应催化剂及其制备方法

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及其制备方法。

背景技术

当今世界的环境问题和能源危机促使人们去寻找可再生的清洁能源来取代传统的石化能源，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。到目前为止，氢能源主要还是来源于水分解制氢，因此如何提高水分解制氢的效率就成为了最亟待解决的关键问题。一般而言，现今商业化的析氢催化剂主要是基于金属铂的，但是金属铂价格昂贵而且抗污染能力以及使用寿命都很差，这就造成了氢能源产业的成本过高，阻碍了这一绿色可再生能源的大规模实际应用。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，因而理论上认为其有望取代金属铂作为高效的析氢反应催化剂。随后的实验结果也证实这些化合物确实能有效的催化水分解产生氢气。例如：《美国化学会催化材料》（ACSCatalysis2013,3,2101-2107）和《自然·化学》（NatureChemistry2013,5,263-275）杂志就报道了过渡金属二硫属化合物纳米片层可以作为非常高效的析氢反应催化剂。此外，《纳米通讯》（NanoLetters2013,13,3426-3433）杂志也证明了二硒化钼和二硒化钨也具有极高的析氢反应的催化活性，。

然而，过渡金属二硫属化合物本体材料和金属铂催化剂相比，也存在非常明显地缺陷，即它们的催化活性位点较少，这严重限制了其应用。值得庆幸的是，这些材料都是由片层堆积而成的，因而一方面可以通过剥离得方法提高其比表面积和活性催化位点密度。《科学》（Science2011,331,568）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。另一方面，为了进一步增加这些材料的催化活性位点，研究人员也引入杂原子进行掺杂处理，例如《材料化学》（JournalofMaterialsChemistryA2014,2,5597-5601）将硫原子掺杂到二硒化钼纳米片层中，掺杂原子引入的缺陷结构起到了催化活性位点的作用，极大提高了材料的析氢催化活性。然而一般的掺杂方法都需要在高温下进行，反应条件苛刻，不利于大规模制备和商业化应用。

本发明使用双氧水作为氧化剂，将过渡金属二硫属化合物在液相剥离过程中同时部分氧化，得到部分被氧化的过渡金属二硫属化合物纳米片层材料。制备得到的复合材料不仅保留较高的电子传输能力，而且由于氧原子的掺杂还增加了其催化活性位点密度。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，其性能接近于商业化的金属铂催化剂，而且由于制备方法简单，设备要求低，使得其具有很好的大规模商业化生产和使用前景。

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及其制备方法。

本发明提供的析氢反应催化剂，是一种过渡金属二硫属化合物及其氧化物的纳米片层复合材料。其制备方法的具体步骤为：

（1）将1~3g过渡金属二硫属化合物固体置于90~150mL有机溶剂中，加入有机溶剂重量的1%~5wt%的双氧水，超声分散3~5小时，静置；

（2）将静置后的上清液倒掉，把下层固体重新分散在有机溶剂中，再超声分散3~5小时，静置，得到上层纳米片层分散液；

（3）将纳米片层分散液进行真空干燥或者透析，然后冷冻干燥，即得到过渡金属二硫属化合物及其氧化物的纳米片层复合材料，成品为固体粉末。

本发明中，所述的过渡金属二硫属化合物为二硫化钼、二硒化钼中的一种，或者为两者的混合物。

本发明中，所述的过渡金属二硫属化合物及其氧化物纳米片层的大小为20~200nm，厚度为1~5nm。

本发明中，所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、异丙醇中的一种，或其中几种的混合物。

本发明方法制备的析氢反应催化剂即过渡金属二硫属化合物及其氧化物的复合材料，是通过双氧水作为氧化剂将过渡金属二硫属化合物进行部分氧化，这不仅能保持析氢反应催化剂纳米片层的电子传导效率，还能增大催化剂的催化活性位点，并最终提高催化剂的催化活性。

本发明制备条件简单，操作过程方便，生产成本较低，易于批量化生产；且普适性强，可适用于析氢反应催化剂，可取代铂类贵金属析氢催化剂，具有广阔的工业化应用前景。

附图说明

图1.制备得到的二硒化钼及其氧化物纳米片层复合材料的原子力显微镜图片。

图2.制备得到的二硒化钼及其氧化物纳米片层复合材料的透射电镜图片。