[发明专利]少层二硫化钼/氮掺杂多孔碳复合催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于电解水制氢的少层二硫化钼/氮掺杂多孔碳纳米的复合催化剂，催化剂的组分由少层二硫化钼和氮掺杂多孔碳组成，催化剂具有少层二硫化钼与多孔氮掺杂碳基质复合的分级结构，少层二硫化钼锚定在氮掺杂多孔碳上，少层二硫化钼具有3～10层。本发明的催化剂在酸性条件下表现出优异的电解水析氢催化活性和稳定性，有望代替现阶段使用的铂基等贵金属电解水析氢催化剂。

技术领域

本发明涉及催化剂材料领域，尤其涉及一种用于电解水制氢的少层二硫化钼/氮掺杂多孔碳复合催化剂及其制备方法。

背景技术

能源和环境是人类社会可持续发展涉及的最主要问题。目前全球80％的能量需求来源于化石燃料，这最终必将导致化石燃料的枯竭，而其使用也将导致严重的环境污染。从化石燃料逐步转向利用可持续发展无污染的非化石能源是发展的必然趋势。氢是理想的清洁能源之一也是重要的化工原料，受到世界各国广泛的重视。电解水制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段。铂基贵金属是电解水制氢反应中最佳的电催化剂，但是其地壳丰度低、价格昂贵的特点极大程度上限制了铂等贵金属电催化析氢催化剂的工业化应用。因此人们致力于寻找可替代铂等的非贵金属催化剂，以用于电催化析氢反应。

纳米金属硫化物是一种新型二维材料，受到了广泛关注。金属硫化物纳米结构的新兴研究主要源于其优异的物理化学性质，如可调控电子和光学特性，在晶体管、拓扑绝缘体、电池和催化剂等领域具有广泛应用。值得注意的是，特别是作为可再生能源技术的电催化析氢反应(HER)催化剂，金属硫化钼结构得到了更多关注。二硫化钼是一种典型的过渡金属硫化物，具有与石墨烯类似的层状结构。二硫化钼独特的结构和物理化学性质使其在催化、润滑、电子探针、电极材料等领域中有着较广泛的应用。二硫化钼作为加氢、脱硫催化剂，不仅具有较高的催化活性，而且具有较高的抗硫、抗中毒性能。然而，目前二硫化钼基催化剂仍存在一定的问题：(1)基面无活性，只有边缘具有电催化活性，需要增大活性表面积；(2)本征催化活性位点较少，需要引入更多的缺陷或其他活性位点；(3)本征导电性较差，需要导电载体支持。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种具有优异的电解水析氢催化活性和稳定性的少层二硫化钼/氮掺杂多孔碳复合催化剂。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提高供具有优异的电解水析氢催化活性和稳定性的少层二硫化钼/氮掺杂多孔碳复合催化剂。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于电解水制氢的少层二硫化钼/氮掺杂多孔碳纳米的复合催化剂，催化剂的组分由少层二硫化钼和氮掺杂多孔碳组成，催化剂具有少层二硫化钼与多孔氮掺杂碳基质复合的分级结构，少层二硫化钼锚定在氮掺杂多孔碳上。少层二硫化钼具有3～10层。

本发明还提供一种用于制备如权利要求1的复合催化剂的制备方法，包括步骤：

(1)取1～10g的三聚氰胺，溶解在300ml水中，取1～10g的三聚硫氰酸，分散在100ml水中，将三聚氰胺溶液加入三聚硫氰酸悬浊液中，搅拌12h，

(2)取2g钼酸铵，溶解在100ml水中，将钼酸铵溶液加入三聚氰胺-三聚硫氰酸悬浊液中，搅拌12h，抽滤，洗涤三次，在烘箱中烘干，得到淡黄色固体粉末，即三聚氰胺-三聚硫氰酸-氧化钼有机无机自组装的杂化前驱体，

(3)将杂化前驱体于氩气气氛下，升温速率为0.5～20℃/min，在500～1000℃温度范围内碳化焙烧0.5～12h，即制得少层二硫化钼/氮掺杂多孔碳纳米复合催化剂。

进一步的，步骤(1)中的三聚氰胺和三聚硫氰酸的投料摩尔比为0.5～1.5。

进一步的，步骤(2)中的烘干温度为40-80℃。

进一步的，步骤(2)中的烘干时间为4-24h。

进一步的，步骤(3)中的杂化前驱体的焙烧温度为600-900℃。