[发明专利]一种多原子共掺杂二硫化钼及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种多原子共掺杂二硫化钼的制备方法。具体的说，该方法首先将多种掺杂原子前驱体依次与钼源均匀分散，然后与含硫化合物在一定温度下反应，最后经溶液处理后，抽滤干燥即得到目标产物。该方法所制备的材料具有明确的结构，单一的晶像，无团簇或非二硫化钼晶像形成。所掺入的杂原子种类和含量易于调变。该材料用于电催化析氢反应具有优异的活性。本方法是一种制备多原子共掺杂二硫化钼的普适方法，具有简单，易于操作的特点。

技术领域

本发明属于二维纳米材料制备技术领域，具体涉及一种多原子共掺杂二硫化钼的及其制备方法与应用。

背景技术

二维二硫化钼由于其独特的结构和电子特性受到了人们的广泛关注，在材料科学、化学、纳米技术方都具有很好的应用前景。尤其在电催化析氢反应中，因为其地球储量大、环境友好、且性能优越，有望成为铂基电催化剂的良好代替者。然而，二硫化钼其析氢活性主要来自于其少量的边缘位，而其大部分的面内位点却是相对惰性的(B.Hinnemann,J.K. et al.J.Am.C hem.Soc.,127,5308-5309(2005))。基于这一点的认识，大量的研究便集中于通过多类型调控增加二硫化钼活性位数量。Deng对二硫化钼进行的多尺度结构调控，构建了具有泡沫状的三维介孔二硫化钼，拥有着大量的边缘活性位同时提高了物质传输效率(J.Deng,D.H.Deng,X.H.Bao et al.Nat.Commun.,8,14430(2017))。但是由于热力学表面稳定性的限制，高活性的二硫化钼边缘位不能无限增加，因而限制了其析氢活性进一步提高(J.Kibsgaard,T.F.Jaramillo et al.Nat Mater.,11,963-969(2012))。因此，为了进一步增加额外活性位，杂原子掺杂的电子调控方法也成为了一种常用的策略。现如今掺杂原子主要分为金属原子(J.Deng,D.H.Deng,X.H.Bao et al.EnergyEnviron.Sci.8,1594-1601(2015))和非金属原子(J.F.Xie,Y.Xie el al.J.Am.Chem.Soc.,135,17881-17888(2013))，其目的是通过将杂原子掺杂进二硫化钼，改变局域的电子结构，大大增加了配位不饱和的活性硫的数量，进一步提高了其析氢活性。但是现在的策略多为单元素掺杂，其电子调变效率有限，并不能充分利用二硫化钼其大量的惰性面内硫位点。因此，多元素共掺杂二硫化钼成为了一种新兴的高效电子调变策略。然而，既要保证多元素同时掺杂时，原有的二硫化钼“三明治”式结构(S-Mo-S)不受破坏，还要避免多种掺杂元素之间的团聚或形成新相，这样的制备策略具有十足的挑战。

发明内容

基于以上背景技术，本发明提供一种多原子共掺杂二硫化钼的制备方法。该方法通过原位掺杂法将多种元素共掺杂进入二硫化钼，用于电催化析氢反应具有优异的活性。该方法掺杂的原子含两种或两种以上，可为金属与金属原子共掺杂、金属与非金属原子共掺杂、非金属与非金属共掺杂。该方法易于操作，且适用的范围广泛，可用于其他二维材料的调变。该材料在电催化、能源存储与转化等领域具有广阔的应用前景。

本发明的技术方案是：一种多原子共掺杂二硫化钼材料，所述多原子共掺杂二硫化钼为两种或两种以上原子同时掺杂二硫化钼，其中原子包含金属与非金属原子。

基于以上技术方案，优选的，所述金属为钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钌、铑、钯、银、钽、钨、铼、镉、铱、铂或金；所述非金属为氟、氧、硒、碲、氮、磷、碳、硼；所述原子掺杂的二硫化钼材料为层状、花状、球状、管状、线状、三维泡沫状和三维孔道状结构，其形貌可通过调变合成温度、更换硫源、添加模板来控制合成的二硫化钼形貌。

本发明还提供一种多原子共掺杂二硫化钼的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将钼源与掺杂原子前驱体加入到溶剂中混匀，然后于25～100℃，搅拌1～24h后，干燥，得到中间物Ⅰ；

(2)将步骤(1)得到的中间物Ⅰ与硫源混合，在惰性气体保护下密封于高压反应釜中，程序升温至100～600℃保持1～24h得到中间物Ⅱ；