[发明专利]核壳结构ZnS@C@MoS2

说明书

本发明公开了核壳结构ZnS@C@MoS₂催化剂的制备方法及其应用，本发明通过水热法合成粒径均一的ZnS纳米球，然后采用自组装法在ZnS纳米球表面组装一层PDA薄膜，再经过高温碳化，强酸刻蚀处理，最后通过一步水热法在刻蚀的ZnS@C的表面原位生长超薄的MoS₂纳米片，实验结果表明碳壳可以极大地提高ZnS@C@MoS₂的导电性，有效地防止MoS₂纳米片的聚集，二维超薄的MoS₂纳米片的结构有利于最大限度暴露活性位点，缩短电荷的传输路径，使ZnS@C@MoS₂表现出优异的电化学性能，且ZnS@C@MoS₂在碱性电解液中测试12h时，保持率高达84％，说明ZnS@C@MoS₂具有优异的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种催化剂的制备方法，具体涉及核壳结构ZnS@C@MoS₂催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

由于化石燃料的燃烧，全球能源危机和环境污染是人类面临的两个主要问题。氢气作为一种具有高热值、零温室气体排放的高效、绿色、可再生能源，已成为被普遍接受的能源替代品。电化学分解水制氢是一种新型高效的能源转换方式，可以把不稳定、不易储存的电能以氢气的形式存储下来，但在电解水的过程中，较高的析氢电位会造成不必要的能源损耗，因此需要高效、稳定的析氢电催化剂来降低其过电位。就目前而言，铂基以及基于铂的复合材料被认为是高效的析氢催化剂，但由于铂在地壳中的含量极低，以及其昂贵的价格限制其在工业中的大规模的应用，因此开发可用于大规模生产并且具有高效、稳定的非贵金属析氢催化剂便成为当前发展电解水析氢技术的关键。

过渡金属硫化物在电催化析氢(HER)领域已经越来越受到关注，其中MoS₂是一种最具有代表的过渡金属硫化物。对于MoS₂的析氢性能(HER)研究要追溯到1970年，研究工作者发现块状的MoS₂并不具有HER活性，直到2005年，Hinnemann等通过密度泛函数(DFT)理论对MoS₂边缘钼原子吸附氢离子过程的吉布斯自由能变△G_H进行了计算，分析了这种层状材料的氢键自由能，发现MoS₂的基面是不具有催化活性的，而硫化的Mo 的边缘与氢原子的结合能接近于Pt，具有较好的HER性能；Jaramillo等人在超真空条件下利用气相沉积法使Mo在H₂S气氛中沉积在Au(惰性HER催化活性)基底上，获得层状的MoS₂片，具有丰富的Mo-S边缘部位，进一步证实MoS₂催化活性位点为硫化的Mo 的边缘部分。MoS₂是半导体材料，由于其较差的导电性以及纳米片容易发生重堆积的特殊现象，从而使它的电化学性能大打折扣，限制了其在水分解领域的应用；另外受材料的单一性的制约，已经很难达到人们对高活性催化剂的需求。因此，如何通过材料设计来提升材料的导电性和活性位点数，从而有效改善催化剂的性能是当前研究的热点。

发明内容

为解决上述问题，本发明通过水热法合成粒径均一的ZnS纳米球，然后采用自组装法在ZnS纳米球表面组装一层PDA薄膜，再经过高温碳化，强酸刻蚀处理，最后通过一步水热法在刻蚀的ZnS@C的表面原位生长超薄的MoS₂纳米片，ZnS@C@MoS₂表现出优异的电化学性能，而且ZnS@C@MoS₂具有优异的电催化析氢性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：核壳结构ZnS@C@MoS₂催化剂，所述催化剂包括核体和包裹在核体表面的壳体，所述核体为ZnS纳米球，所述壳体由内向外依次为C层和MoS₂纳米片层。

ZnS纳米球外包裹一层C层得到ZnS@C核壳结构。ZnS@C核壳结构用稀HCl溶液刻蚀后，使用水热法合成核壳结构ZnS@C@MoS₂催化剂