[发明专利]一种降低二硫化钼基催化析氢电极电荷转移阻抗的方法

说明书

本发明属于催化析氢技术领域，具体涉及一种降低二硫化钼基催化析氢电极电荷转移阻抗的方法。针对现有的二硫化钼纳米薄片间及其与底部电极之间载流子传输效率低、半导体2H相二硫化钼催化析氢活性低的问题，本发明的技术核心包括如下内容：[1]掺入聚乙烯吡咯烷酮，使二硫化钼产生由半导体2H相到金属1T相的转变；[2]均匀引入还原氧化石墨烯形成三维导电网络，改善二硫化钼片层间及与底部电极的电接触；[3]铜薄膜电极作为导电基底，其与催化活性功能层有优良电接触，可有效提升电荷转移效率。本发明适用于常温下酸性溶液中的催化析氢反应。

技术领域

本发明属于催化析氢技术领域，具体涉及一种降低二硫化钼基催化析氢电极电荷转移阻抗的方法。

背景技术

随着传统化石能源的消耗以及日益严重的环境污染问题，氢能作为一种高效清洁的能源载体，被当作传统能源的理想替代者。如何高效可持续地获得氢气是氢经济循环中的重要一环。电解水制氢被认为是可持续获取氢气的重要途径，高效电催化析氢材料的设计是关系到这一技术能否实现的关键。当前，电解水制氢领域的核心任务是解决高制氢效率与低催化成本之间的矛盾，从而发展高效、经济、绿色的制氢催化剂及相关工艺，以取代资源有限、造价昂贵的金属铂催化剂，实现能量的低成本转化。

二硫化钼作为类石墨烯二维材料，具有类似于金属铂的氢吸附自由能，能够在强酸性溶液中稳定存在且资源丰富，是传统贵金属催化析氢材料的理想替代物。然而其电催化活性与传统铂族贵金属催化材料相比仍有较大差距，其催化应用还存在诸多桎梏因素，主要表现在：(1)二硫化钼作为半导体材料，其与电极基底的载流子传输效率低；(2)二硫化钼与导电性材料的非均匀复合对其片层间电子迁移率的提高作用有限；(3)自然状态下的二硫化钼是以半导体相(2H-MoS₂)存在，而研究(Wang H,Lu Z,Kong D,etal.Electrochemical Tuning of MoS₂nanoparticles on three-dimensional substratefor efficient hydrogen evolution[J],ACS Nano,2014,8:4940-4947.)表明二硫化钼在金属相(1T-MoS₂)时电荷转移阻抗小，具有更高的催化析氢活性。现有技术(Voiry D,Salehi M,Silva R,et al.Conducting MoS₂nanosheets as catalysts for hydrogenevolution reaction[J],Nano Letters,2013,13:6222-6227；Wang H,Lu Z,Xu S,etal.Electrochemical tuning ofvertically aligned MoS₂nanofilms and itsapplication in improving hydrogen evolution reaction.PNAS,2013,110:19701-19706.)通过电化学锂离子插层法实现2H-MoS₂部分转化为1T-MoS₂，该方法制备条件苛刻。

发明内容

针对现有的二硫化钼纳米薄片层间及其与导电基底之间载流子传输效率低、以及半导体相二硫化钼(2H-MoS₂)催化析氢活性低的问题，本发明提供一种降低二硫化钼基催化析氢电极电荷转移阻抗的方法，其目的在于：掺入聚乙烯吡咯烷酮使得二硫化钼在液相剥离过程中发生相变，产生金属相二硫化钼(1T-MoS₂)；均匀掺入还原氧化石墨烯使得二硫化钼纳米片层间载流子传输效率显著提高；选用具有催化析氢活性的铜薄膜电极作为电极基底，有效提升二硫化钼与电极基底间的载流子传输效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种降低二硫化钼基催化析氢电极电荷转移阻抗的方法，在采用液相超声剥离法制备二硫化钼纳米薄片的过程中，向剥离溶剂中添加聚乙烯吡咯烷酮和还原氧化石墨烯，得到二硫化钼纳米薄片、聚乙烯吡咯烷酮和还原氧化石墨烯的混合分散液。