[发明专利]一种富缺陷的Co3S4超薄多孔纳米片材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种富缺陷的Co₃S₄超薄多孔纳米片材料及其制备方法和应用，通过采用等离子体技术处理无机有机层交替排列的无机有机杂化前驱物干剥离制备非层状结构的过渡金属基富缺陷超薄多孔二维纳米片材料，该纳米片材料在碱性介质中具有高稳定性、高效的电催化析氢析氧性能和全解水活性。

技术领域

本发明涉及过渡金属基硫属化合物纳米材料技术领域，具体涉及一种非层状晶体结构的富缺陷的Co₃S₄超薄多孔纳米片材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，非层状结构的过渡金属硫属化合物已被证实具有优异的电催化性能，但是其仍然存在因原子利用率不高而导致催化剂质量活性较低等问题。为了解决原子利用率低的问题，具有多孔或超薄二维结构的纳米材料近年来受到了研究者们的广泛关注，然而同时具有多孔和超薄二维两个结构特征的硫属化合物纳米材料的精准制备仍是合成化学领域的一个重要挑战。

当前的研究已表明，适量的阴离子(O^2‐，S^2‐，Se^2‐等)缺陷能够有效地增强过渡金属基催化剂的电解水性能。阴离子缺陷的存在增强了费米能级附近的电子活动性，从而增强了催化剂的导电性。另一方面，区域增强的电荷密度还使金属离子的价态降低和配位数减小，从而进一步提高材料的催化活性与大电流密度下的稳定性。目前等离子体主要集中应用在纳米片的处理与具有层状结构的二维材料的合成上，仍鲜见简便普适的非层状结构的过渡金属基硫属化合物富缺陷超薄多孔二维纳米片的等离子体合成方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种富缺陷的Co₃S₄超薄多孔纳米片材料及其制备方法和应用，通过采用等离子体技术处理无机有机层交替排列的无机有机杂化前驱物干剥离制备非层状结构的过渡金属基富缺陷超薄多孔二维纳米片材料，该纳米片材料在碱性介质中具有高稳定性、高效的电催化析氢析氧性能和全解水活性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种富缺陷的Co₃S₄超薄多孔纳米片材料，纳米片上具有孔状结构，在所述纳米片的边缘和孔洞内存在大量的电催化活性位点，该电催化活性位点为低配位的Co原子，所述纳米片的厚度为0.5-3nm，

按照下述步骤制备：

步骤1，称取四水合醋酸钴(C₄H₆CoO₄·4H₂O)和硫代乙酰胺(C₂H₅NS)在冰水浴环境下溶于去离子水，待完全溶解后加入三乙烯四胺(TETA)，其中四水合醋酸钴、硫代乙酰胺、去离子水和三乙烯四胺的质量体积比为(0.15-0.30)：(0.05-0.08)：(3.6-7.2)：(7.2-14.4)，其中四水合醋酸钴和硫代乙酰胺用量的为质量、单位为g，去离子水和三乙烯四胺的用量为体积、单位为ml，自室温20-25℃下磁力搅拌30min至分散均匀后置于水热反应釜中，在150-200℃条件下反应15-20h，冷却至室温将产物离心分离后依次用去离子水及乙醇洗涤3-5遍，置于真空干燥箱中，在50-80℃条件下干燥4-8h，得到黑色反应产物Co₃S₄/TETA杂化前驱体；

步骤2，将步骤1得到的Co₃S₄/TETA杂化前驱体放入瓷舟中用氩气等离子体处理，处理时间为15-30min，功率为250-400W，压力为50-100Pa，气体流速为100-300mL min^-1，将处理后得到的产物用乙醇洗涤并于30-60℃条件下干燥6-10h得到富缺陷的Co₃S₄超薄多孔纳米片材料(Co₃S₄PNS_vac)。