[发明专利]一种纳米二硫化钼/氮掺杂碳纳米管阵列杂化复合电极的制备方法及应用

权利要求书

1.一种纳米二硫化钼/氮掺杂碳纳米管阵列杂化复合电极的制备方法，其特征在于：首先以涂覆导电炭黑层的碳纤维织物为基底，通过化学气相沉积技术在碳纤维基底上可控制备了氮掺杂碳纳米管阵列载体，然后将氮掺杂碳纳米管氧化实现表面功能化，再以化学键的形式牢固结合纳米二硫化钼材料，形成一体化三维平行孔结构双向催化功能的电极材料；

上述制备方法具体包括以下步骤：

（1）导电炭黑层/碳纤维织物基底材料的制备

将亲水性导电炭黑材料，含有铁基、钴基、镍基无机盐中的一种或几种混合物，硅溶胶水溶液按其质量比1:50-100:100-200比例混合，在室温下充分搅拌15-20h制成黑色悬浊液；将碳纤维织物置于异丙醇溶剂中超声处理以除去表面的杂质，取出后烘干，取上述黑色悬浊液均匀涂抹到碳纤维织物的一侧表面上，60-80℃干燥箱内烘干0.5-1h，涂抹烘干过程重复5-10次；然后将涂抹有导电炭黑层的碳纤维织物置于高温管式炉内，在空气气氛下以3-10℃/min的速率升温至200-600℃，保持2-8h后缓慢降至室温，制得导电炭黑层/碳纤维织物基底材料；

（2）氮掺杂碳纳米管阵列材料的制备及表面氧化处理

以液态含芳香烃或烷烃有机物为碳源，以液态或固态含氮有机物为氮源，以含有铁基、钴基或镍基的有机类化合物为催化剂前驱体，将上述三者充分搅拌0.5-5h，使金属离子在催化剂前驱体溶液中的浓度为0.01-0.8g/mL，催化剂前驱体溶液中碳氮原子比为10-200:1，制得含碳源和氮源的催化剂前驱体混合溶液；

将步骤（1）制得的导电炭黑层/碳纤维织物基底材料置于高温管式炉中，通入氩气、氮气或氦气中的一种与氢气按体积比为1-20:1的混合气为载气，以3-10℃/min的速率升温至600-1000℃；然后将含碳源和氮源的催化剂前驱体混合溶液以线速度为0.1-5mL/min的速率注射到反应器中，注射反应时间为10-120min；反应结束后在惰性气体气氛下降温至350-500℃，然后在空气环境中纯化氮掺杂碳纳米管阵列材料1-18h；最后将氮掺杂碳纳米管阵列置于强氧化的氛围中，进行表面氧化处理0.5-3h，得到表面氧化的氮掺杂碳纳米管阵列/碳纤维织物复合材料；

（3）纳米二硫化钼/氮掺杂碳纳米管阵列杂化复合电极的制备

采用液相法或气相法以化学键结合纳米二硫化钼材料；① 液相法：将钼基前驱体、硫基前驱体、还原剂和溶剂的按质量比1:2-5:3-10:30-600置于反应器中室温搅拌20-60min，将步骤（2）所制备的表面氧化的氮掺杂碳纳米管阵列/碳纤维织物复合材料置于反应器中，在120-250℃恒温下反应0.5-15h，取出后用去离子水和乙醇清洗数次，烘箱50-80℃下干燥24-48h，再置于管式炉按照氢气与惰性气体体积比1:7-10通入，400-700℃保持4-10h，制得纳米二硫化钼/氮掺杂碳纳米管阵列杂化复合电极；② 气相法：将钼基前驱体、硫基前驱体、步骤（2）所制备的表面氧化的复合材料同时放置于管式反应器中，钼基前驱体与硫基前驱体的质量比为1:3-15，然后通入流量为600-1200mL/min的氩气、氮气或氦气中的一种，以20-60℃/min的速率升温至600-850℃反应2-10min，取出后用去离子水清洗，烘箱50-80℃下干燥10-48h，获得纳米二硫化钼/氮掺杂碳纳米管阵列杂化复合电极。

2.根据权利要求1所述的纳米二硫化钼/氮掺杂碳纳米管阵列杂化复合电极的制备方法，其特征在于：所述的亲水性导电炭黑材料是氧化处理后的导电炭黑、导电石墨的一种或任意混合；所述导电炭黑包括乙炔黑或科琴黑；所述导电炭黑层中的铁盐、钴盐、镍盐为碳酸铁、硝酸铁、磷酸铁、硫酸铁、碳酸钴、硝酸钴、磷酸钴、硫酸钴、碳酸镍、硝酸镍、磷酸镍、硫酸镍中的一种或任意混合；所述的硅溶胶水溶液的质量浓度是10-50%，包括酸性硅溶胶、中性硅溶胶或碱性硅溶胶中的一种。

3.根据权利要求1所述的纳米二硫化钼/氮掺杂碳纳米管阵列杂化复合电极的制备方法，其特征在于：所述的碳纤维织物是碳纤维带、碳纤维片材料中的一种；所述碳纤维片材料包括碳纤维纸、碳纤维编织布、碳纤维预浸布、碳纤维加固布、碳纤维毡、碳纤维板或碳纤维席中的一种。