[发明专利]一种自支撑过渡金属硫化物薄膜电催化电极及其制备方法

说明书

一种自支撑过渡金属硫化物薄膜电催化电极及其制备方法，属于电催化电极材料技术领域。该电极包含活性材料和金属基底，所述活性材料为过渡金属硫化物薄膜，金属基底为过渡金属箔片，活性材料原位生长在金属基底上。本发明还公开了所述自支撑过渡金属硫化物薄膜电催化电极的制备方法，为表面辅助的化学气相传输法：将过渡金属箔片和硫粉真空密封在石英管中进行一步反应，在金属箔片表面原位生长过渡金属硫化物薄膜。该方法具有以下技术效果：过渡金属箔片不仅提供金属源，也是薄膜形核长大的基底，原位生长确保二者紧密结合；真空下反应，薄膜均匀纯净、结晶性好。得到的自支撑电催化电极，具有催化活性高、导电性好、稳定性强和制备简单的优点。

技术领域

本发明涉及电催化电极材料领域，具体地，涉及一种自支撑过渡金属硫化物薄膜电催化电极及其制备方法。

背景技术

氢能作为一种可再生、无污染的绿色能源，具有燃烧值高、适用范围广、安全环保等优点，氢能的发展和应用对于解决目前能源短缺和环境恶化的难题具有重要的社会意义和深远影响。在各种制氢方法中，电催化水分解是一种高效可持续的制氢技术，具有碳排放低、产物纯度高、工艺简单等优点，目前最高效、应用最成熟的电催化剂是铂基贵金属材料，但高成本和稀缺性严重地限制了该类电极材料的广泛应用。工业化制氢迫切需求寻找地球上含量丰富的电催化材料，来代替铂基贵金属材料，在降低成本的同时保持高的催化活性和稳定性。现阶段，本领域的技术人员针对该问题已寻找到多种催化活性高、价格低廉的替代品，比如过渡金属硫化物、过渡金属硒化物、过渡金属碳化物等。其中，过渡金属硫化物(如WS₂、MoS₂、TaS₂或NbS₂)具有独特的层状结构、可调电子性能以及层片边缘或中心丰富的活性位点可作为催化中心，是一种非常具有潜力的电催化材料。

但目前过渡金属硫化物应用于电催化领域还存在一些问题。一方面，现有的过渡金属硫化物电极材料多为粉体，通过溶剂热、化学气相沉积、化学剥离等方法制备，这些过渡金属硫化物粉体在电极制备过程中需要额外添加导电剂和聚合物粘结剂，不但增加成本，提高电极制备过程复杂度，而且粘结剂的引入会产生提高电阻、降低电极导电性、覆盖活性位点和抑制传质过程等诸多不利因素。在反应过程中还存在活性材料与基底结合力不强、易于脱落和限制活性材料的负载量等问题，使电极材料的催化性能难以充分发挥。另一方面，将过渡金属硫化物制备成自支撑电催化电极具有显著的优势，能够有效减少活性材料脱落和避免导电剂、粘结剂的引入，但是目前报道的过渡金属硫化物自支撑电催化电极的制备方法仍较少，且多采用碳材料作为导电基底，与活性材料的结合力较低。制备方法多为两步法，比如浸涂+退火处理、水热+硫化处理，产物纯净性差且较为繁琐耗时。

因此，在以过渡金属硫化物为电催化剂的领域中，有必要提供一种简单的表面辅助方法，制备一种新型的过渡金属硫化物自支撑电极，这种电极具有成本低、制备简单、产物纯净、活性材料与基底结合紧密、电催化性能高效且稳定的优点。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种自支撑过渡金属硫化物薄膜电催化电极，使该电极能够保证过渡金属硫化物原位生长在金属基底上，与基底紧密结合，降低接触电阻，提高电极的导电性和使用稳定性；还能保证过渡金属硫化物活性位点的充分暴露，增加活性材料与电解液的接触面积，从而显著提高电极的电催化活性。

本发明的另一目的是提供一种自支撑过渡金属硫化物薄膜电催化电极的制备方法，使该方法能够简化电催化电极的制备工艺，有效降低成本；还能够确保过渡金属硫化物薄膜原位生长在过渡金属箔片表面，可直接作为自支撑电极用于电催化反应。

本发明的技术方案如下：

一种自支撑过渡金属硫化物薄膜电催化电极，其特征在于：该电极包含活性材料和金属基底，所述活性材料为过渡金属硫化物薄膜，金属基底为过渡金属箔片；所述活性材料原位生长在所述金属基底的表面，二者紧密结合，形成自支撑结构。