[发明专利]掺氮石墨相氮化碳纳米片/二硫化钼复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺氮石墨相氮化碳纳米片/二硫化钼复合材料及其制备方法。所述方法采用一步水热法，将可替代的气相沉积法制备的g‑C₃N₄纳米片与尿素、二水合钼酸钠和硫代乙酰胺进行水热反应，实现复合和元素掺杂。本发明工艺简单，成本低廉，制备的掺氮石墨相氮化碳纳米片/二硫化钼复合材料作为催化剂使用时，当电流密度为10mA/cm²时，过电位为187.2mV，塔菲尔斜率为44mV/dec，具有优异的电化学析氢性能和稳定性。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，涉及一种掺氮石墨相氮化碳纳米片/二硫化钼复合材料及其制备方法。

背景技术

氢具有最高的质量能量密度和可再生性，可作为清洁可再生能源替代化石燃料。电化学析氢反应(HER)，2H⁺+2e^-→H₂，是高效可持续生产氢气的方法之一。使用电化学催化技术制备氢气的关键在于制备高效廉价的电催化剂。铂(Pt)具有合适的氢原子的吉布斯吸附自由能和最小的过电位，是用于析氢反应的有效催化剂。然而，Pt的稀缺性和高成本在很大程度上限制了其应用。

二硫化钼(MoS₂)对氢生产的高活性和良好的稳定性使其成为替代Pt的潜在候选者。MoS₂具有类似于石墨的层状结构，片层内部靠强的共价键结合，片层之间则靠微弱的范德华力相互作用，其资源丰富、价格低廉，被广泛应用于电催化析氢反应。然而，有两个缺点限制了MoS₂的实际应用：(1)MoS₂层间范德华力的相互作用将不可避免的导致堆积现象，减少活性位点从而降低了催化活性；(2)MoS₂的导电性差，这是由于电子沿着MoS₂纳米片层状结构的横向转移，限制了有效的电子转移以及相关的电化学动力学性能。因此具有更多边缘活性位点和良好导电性的MoS₂基材料是提高其电催化析氢效率的有效方法。

碳材料具有良好的导电性，将MoS₂与碳结合形成复合材料，能够提高MoS₂的导电率，改善其电化学性能。戴宏杰教授课题组利用溶剂热法将MoS₂负载在还原氧化石墨烯上，得到了MoS₂/RGO材料，它是由薄的MoS₂纳米层和一个高的石墨导电网络组成。该复合电催化剂中还原氧化石墨烯的存在极大地提高了电催化过程中的电子传导速率，有效地降低了MoS₂电催化剂的起始过电位和塔菲尔斜率，并实现了更高的电化学稳定性。还原氧化石墨烯不仅增加了材料的导电性，而且也作为MoS₂的载体，使其以高度分散的纳米片形式分布在石墨烯的表面。该催化剂表现出优异的电化学析氢活性，在电流密度达到10mA·cm^-2时，其过电位仅为140mV，塔菲尔斜率为41mV/dec(Li Y G,Wang H L,Liang Y,etal.MoS₂nanoparticles grown on graphene:an advanced catalyst for the hydrogenevolution reaction[J].Journal of the American Chemical Society,2011,133(19):7296-7299.)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电化学析氢的掺氮石墨相氮化碳纳米片/二硫化钼复合材料及其制备方法。该方法采用一步水热法，将石墨相氮化碳(g-C₃N₄)纳米片与尿素、二水合钼酸钠和硫代乙酰胺进行水热反应，实现复合和元素掺杂。

实现本发明目的的技术解决方案如下：

掺氮石墨相氮化碳纳米片/二硫化钼复合材料的制备方法，具体步骤如下：