[发明专利]一种分级结构的MoS2纳米球双功能氧催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种分级结构的MoS₂纳米球双功能氧催化剂及其制备方法和在碱性介质中对氧气的电催化应用。该催化剂是以Na₂MoO₄和KSCN为原料，采用水热法合成的具有分级结构的MoS₂纳米球，此纳米球由无数MoS₂纳米片构建而成，导致其具有大的比表面积，而且使MoS₂纳米片的边缘位点得到了充分暴露。而且超薄MoS₂纳米片单元形成的多孔道花状纳米球增加了其有效的电化学催化面积和催化位点，加速了电子传导速率，因此，有效降低了析氧反应以及氧还原反应的过电位，通过旋转圆盘电极以及旋转环盘电极表明其氧还原过程为4电子催化机理，是较为理想的氧还原反应过程。

技术领域：

本发明属于新能源材料技术以及电化学催化领域，具体涉及分级结构的 MoS₂纳米球双功能氧催化剂；还涉及所述催化剂的制备方法及其在碱性电解水阳极析氧反应和燃料电池阴极氧还原反应中的电催化应用。

背景技术：

随着人类对清洁和可持续能源需求的不断增加，科学家们将大量精力投入到了高效、低成本和环境友好的能源转换和储存系统的研究与开发方面。其中氧还原反应(ORR)在燃料电池和金属空气电池中普遍存在的阴极反应，析氧反应 (OER)则在太阳能燃料合成和水裂解能源存储系统中起着重要的作用。因此，催化剂特别是氧催化剂已是制约新能源装置的主要瓶颈。考虑到催化剂的活性和稳定性，用于ORR反应的催化剂主要有Pt及其合金，而用于OER的催化剂主要有IrO₂或RuO₂，但是这些贵金属在自然界中非常稀少，价格昂贵，使目前电源装置造价太高。开发高性能、低成本双功能氧催化材料是推动燃料电池及其技术发展亟待解决的关键问题，而开发非贵金属氧催化剂成为了该领域中人们关注的热点课题。

近年来，因类石墨烯的结构以及大的比表面积和丰富的不饱和悬挂键，过渡族金属硫化物二维半导体材料在电催化领域引起了人们的广泛关注。其中典型代表为硫化钼(MoS₂)，它由两层垂直相对的硫原子层包夹着一层钼原子层以三棱柱形堆积而成，而这些S-Mo-S层通过范德华力连接在一起形成了类石墨烯的层状结构。由于充分暴露的边缘、丰富的活性位点以及大的比表面积，MoS₂已在电催化领域得到了广泛应用。如近些年MoS₂因为其特殊的结构和电子特性已被证明是优良的析氢反应(HER)催化剂[Wu Z,Fang B,Wang Z,Wang C,Liu Z,Liu F. ACS Catal.2013,3,2101-2107.]，也有研究证明其有潜在的ORR催化性能[Kibsgaard J, Chen Z,Reinecke B N,Jaramillo T F.Nat.Mater.2012,11,963-969.]。目前的研究还表明，设计MoS₂边缘位点充分暴露的纳米结构是提高其电催化性能的有效途径之一。另一方面，目前还未见有关MoS₂作为OER和ORR的双功能催化剂的报道。

本发明以Na₂MoO₄和KSCN为原料，采用水热法合成了具有分级结构的 MoS₂纳米球，此纳米球由无数MoS₂纳米片构建而成，导致其具有大的比表面积，而且使MoS₂纳米片的边缘位点得到了充分暴露，因此，作为双功能氧催化剂，分级结构MoS₂纳米球有效降低了OER以及ORR的过电位，通过旋转圆盘电极(RDE)以及旋转环盘电极(RRDE)表明其ORR过程为4电子催化机理，是较为理想的ORR反应过程。该方法所得的分级结构MoS₂纳米球氧催化剂充分发挥了MoS₂纳米片单元比表面积大、活性位点多等电催化优点，对开发新型电化学催化剂及能源转换和储存器件具有重要的理论和实际意义。

发明内容：