[发明专利]一种基于激光直写钼片制备碳化钼纳米微阵列的方法

说明书

本发明公开了一种基于激光直写钼片制备碳化钼纳米微阵列的方法，将构建微纳米阵列结构与合成碳化钼材料相结合，通过激光直写一步法制备具有三维微纳米阵列结构的碳化钼材料。本发明基于激光与钼片的烧蚀作用，制备出三维的微纳米阵列结构，同时与碳源发生反应合成碳化钼，一步法制备碳化钼纳米微阵列材料，避免了传统的微纳米阵列制备中的复杂操作步骤和光刻胶等有毒试剂的使用，降低了制备工艺的复杂性同时增加了实验安全性。本方法可以任意设计碳化钼纳米微阵列的外部形貌和阵列排布，所得碳化钼纳米微阵列形状可控，尺寸精度高，用于电催化产氢反应，在酸性、中性、碱性溶液中均具有优良的电催化产氢活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及电催化技术领域，具体涉及一种基于激光直写钼片制备具有电催化产氢性能的碳化钼纳米微阵列的方法。

背景技术

随着科技和社会的快速发展使得能源需求持续增长，而不可再生的化石燃料却逐渐枯竭并引起了诸多环境问题。氢气作为一种可再生能源，具有清洁无污染的优势，被认为是最有潜力的化石燃料的候选能源之一。因此，高产量、低成本地生产氢气是开发和利用氢能的重要环节。目前，工业氢气的生产在很大程度上依赖于甲烷重整和煤气化反应，这些方法仍然依赖于不可再生的化石燃料，并且在制备氢气的过程中会产生大量的二氧化碳，引起温室效应。电解水产氢技术具有清洁无污染、制备氢气纯度高和高效等优势，将多余的电能转化成氢能。通过使用高活性的电催化剂进一步降低电解水产氢的电力成本是电解水制氢大规模应用的关键。

铂基催化剂是长期以来公认最有效的电解水产氢催化剂，但是低储量和高成本的缺点限制了其大规模工业应用。近年来，非贵金属催化剂的研究发展迅速。其中，钼基催化剂具有类似铂的电子结构和良好的催化活性，受到了广泛的关注和研究。碳化钼在酸性和碱性条件下均具有出色的催化性能和长时间的稳定性，受到电催化产氢催化剂研究者的特别关注。

现有报道的碳化钼电催化剂的制备方法中，多采用水热、溶剂热和化学气相沉积等方法。然而，这些方法需要在高温、高压条件下进行制备，并且具有能量耗散高、制备时间长、制备工艺复杂以及无法进行大尺寸、图案化制备的缺点。另外，微阵列结构可以增大催化剂的表面积，进而暴露更多的活性位点，提高电催化产氢活性。然而，传统的碳化钼纳米微阵列的制备方法需要旋涂光刻胶、制备微阵列图案、使用显影液去除对应区域的光刻胶、浆料填充等一系列实验步骤，具有制备工艺复杂、设备多、成本高等缺点；另外，光刻胶、显影液等有毒试剂的使用增加了实验风险。因此，寻找一种简单、安全的合成碳化钼纳米微阵列的方法十分必要。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种通过激光直写一步制备碳化钼纳米微阵列的方法，本发明的方法可以任意设计碳化钼纳米微阵列的外部形貌和阵列排布，所得碳化钼纳米微阵列形状可控，尺寸精度高，用于电催化产氢反应，在酸性、中性、碱性溶液中均具有优良的电催化产氢活性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种基于激光直写钼片制备碳化钼纳米微阵列的方法，所述方法为：

以钼片为基材，向基材上添加碳源，将它们置于密闭的透明容器中，采用激光直写对基材表面进行加工得到碳化钼纳米微阵列。

优选的，所述钼片为纯度在90％以上的工业纯钼。

优选的，所述碳源选自烷烃、烯烃、炔烃、芳香类、腈类、二氰二胺、三聚氰胺、三聚氰酸、苯代三聚氰胺、尿素、葡萄糖、壳聚糖、蔗糖或明胶中的一种或多种。

碳源为液体或固体时，碳源滴在钼片上或放置在钼片上；碳源为气体时，钼片放置在密闭容器内，碳源充满密闭容器。

优选的，激光功率为0.1～1000W，激光重复频率为0～2000KHz，激光扫描速度为0～10⁴mm/s；激光器为气体激光器、固体激光器和半导体激光器中的一种。