[发明专利]一种负载型单层及少层二维过渡金属硫化物催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种负载型单层及少层二维过渡金属硫化物催化剂及其制备方法。该方法以水为溶剂，与载体、可溶性的金属前驱物和谷胱甘肽混合在160‑240℃一步水热合成制备负载型单层及少层二维过渡金属硫化物催化剂。本发明工艺易于实现；且制得的催化剂中单层及少层二维过渡金属硫化物的尺寸小，分散性好，平均堆叠层数为1‑10层。所得催化剂在加氢、产氢、电化学传感、二次电池等方面具有应用前景。

技术领域

本发明属于纳米催化剂技术领域，涉及一种负载型单层及少层二维过渡金属硫化物催化剂及其制备方法。

背景技术

二硫化铌、二硫化钒、二硫化钨等二维过渡金属硫化物化学性质较为稳定，具有片层状晶体结构，单层二硫化铌、二硫化钒、二硫化钨的结构为两层硫原子夹一层金属原子，与另一个单层的硫原子层之间为较弱的范德华力，容易插入小分子或离子乃至相互剥离。单层及少层的纳米二硫化铌、二硫化钒、二硫化钨具有独特的能带结构和表面组成，具有良好的光学、电子、力学性能，适用于固体润滑、多相催化、半导体材料等领域。研究认为二维过渡金属硫化物作为催化活性物质在片层的边缘、基底面边缘的近邻、片层的折叠处等不同位点对于加氢、脱硫、电催化产氢、化学插层储能等过程的活性不同。单层及少层的二维过渡金属硫化物往往表现出比体相二维过渡金属硫化物更高的活性。因此，通过调整制备条件调节纳二维过渡金属硫化物的成核与生长，从而改变其堆叠层数、片层尺寸与形貌等，有望制备出在各领域具有广泛应用的高活性的二维过渡金属硫化物纳米催化剂。

目前在载体上负载二硫化铌、二硫化钒、二硫化钨的制备方法较多，其中水热法采用无毒廉价的水作为介质，条件温和，操作简单，可在较宽范围内调变制备条件以控制产物的结构与形貌。水热法制备得到的产物通常为花瓣状团簇，要调控其形貌及改善其分散性通常需要添加表面活性剂等助剂作为稳定剂或分散剂。但制备过程中添加的助剂可能残留在材料活性表面，影响其活性，因而需要开发无助剂的制备方法，通过原料与条件的选择调控所制备的材料的结构从而优化性能。

目前常用的水热方法在制备过程中采用的硫前驱物包括四硫代钨酸铵、硫脲、硫代乙酰胺、硫氰酸铵、硫化钠、二硫化碳、噻吩、丁硫醇、硫氰酸钾和硫氰酸钠，均为对人体或环境带有一定毒性的物质。谷胱甘肽是生物细胞内普遍存在的多肽，通常作为还原剂参与体内反应，对人体和环境无害，是温和安全的硫前驱物。谷胱甘肽同时具有巯基和多个羧基、氨基，可与金属组成螯合物，在纳米材料的制备过程中可以作为稳定剂和分散剂调节材料的成核与生长，从而制备出具有理想结构与性能的材料。Xu等(Journal of Colloid andInterface Science,2017,496:479-86)报道了一种方法，采用谷胱甘肽和柠檬酸钠作为助剂合成Cu-In-Zn-S量子点，其中谷胱甘肽作为修饰剂将所合成的量子点表面功能化改善其分散性，且为量子点的生长提供了保护。目前尚未有将谷胱甘肽作为硫前驱物制备负载型单层及少层二维过渡金属硫化物催化剂的公开报道。

发明内容

针对以上所述问题，本发明提供一种负载型单层及少层二维过渡金属硫化物催化剂及其制备方法，通过该方法将二硫化铌、二硫化钒、二硫化钨活性物质负载在载体上以产生如下作用：

促使活性物质在烯载体上异相成核，令活性物质生长成为高分散度的小晶粒；

载体与二维过渡金属硫化物相似的二维层状结构与层间作用力能够稳定单层及少层的二维过渡金属硫化物结构；

将活性物质负载在大比表面积的载体上，提高其比活性。

本发明采用的技术方案是：一种负载型单层及少层二维过渡金属硫化物催化剂，由单层片层状二维过渡金属硫化物、2-10层片层状二维过渡金属硫化物中的一种或二种以上的组合负载于载体上构成；其中二维过渡金属硫化物为二硫化铌、二硫化钒、二硫化钨中的至少一种；其中2-10层片层状过渡金属硫化物的平均堆叠层数为2-10层。