螺旋金字塔结构的二硫化钼的制备方法和应用

1.本发明属于电催化技术领域，具体涉及二硫化钼析氢反应电催化剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.在全球绿色能源转型中，氢能源扮演着非常重要的角色。电解水是制氢的主要方式之一，这一过程需要高效且具有成本效益的电催化剂。以二硫化钼（mos2）为代表的过渡金属二硫属化物因其优异的催化活性、结构稳定性和丰富的地球储量，被认为是可替代铂族贵金属的理想析氢反应电催化剂。二硫化钼的催化活性主要来源于晶体的活性边缘，而大面积的基面是惰性的。为提高二硫化钼析氢反应性能，一个很好的途径是增加其边缘活性位点数。其中，将二维mos2转化为三维（例如三维层状金字塔结构）mos2，可极大限度地提高活性边缘的暴露，是增加边缘活性位点数的最有效的方法之一。然而，三维层状金字塔结构mos2由于层间势垒的存在，大大降低了电子的传输效率，导致催化性能远没有想象的那么好。近年来，利用涡电流（在交变磁场中产生的一种电磁感应现象）磁热技术增强材料催化性能是电催化领域中的研究热点之一。磁热技术可在不影响催化剂材料结构和使用寿命的前提下，通过实现持续的局域加热，可大幅度提高材料电催化性能。在这一方面，三维层状金字塔结构mos2也不利于涡电流的产生，极大的限制了磁热技术的应用。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的是螺旋金字塔结构的二硫化钼的制备方法和应用。
4.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。
5.一种螺旋金字塔结构的二硫化钼的制备方法，包括以下步骤：（1）将装有硫粉末的石英舟放置在双温区管式炉的低温区，并将装有moo3粉末的石英舟放置在所述双温区管式炉的高温区；（2）将具有sio2层的硅衬底面朝下倾斜插入所述装有moo3粉末的石英舟中；（3）设置所述双温区管式炉的低温区温度为290~310℃，高温区温度为690~710℃，使惰性气体从所述双温区管式炉的低温区流向高温区，一段时间后冷却至室温，即得到螺旋金字塔结构的二硫化钼。
6.进一步地，所述硫粉末与moo3粉末的质量比为35:1。
7.进一步地，所述具有sio2层的硅衬底中sio2层的厚度为300纳米。
8.进一步地，所述具有sio2层的硅衬底的倾斜角度为45度。
9.进一步地，所述双温区管式炉的低温区温度为300℃，高温区温度为700℃。
10.进一步地，所述惰性气体为氩气，流速为25标况毫升每分钟（sccm）。
11.进一步地，所述一段时间为25分钟。
12.上述方法得到的螺旋金字塔结构的二硫化钼在电解水析氢反应中表现出优异的催化活性、良好的稳定性以及高效的磁热促进析氢反应性能，是一种性能优异的析氢反应
电催化剂。
13.本发明采用改进了的化学气相沉积法制备获得螺旋金字塔结构的二硫化钼，这种新颖的螺旋金字塔结构二硫化钼在充分暴露边缘催化活性位点的同时消除了层间势垒，使得电子可沿螺旋轨道传输而具有高效的传输效率，且在交变电磁场下容易形成涡电流从而利于磁热进一步增强其催化性能；螺旋金字塔结构的二硫化钼在电解水析氢反应中表现出优异的催化活性、良好的稳定性以及高效的磁热促进析氢反应性能。
附图说明
14.图1是本发明实施例中改进了的化学气相沉积法实验装置示意图。
15.图2是本发明实施例中螺旋金字塔结构的二硫化钼生长机理图。
16.图3是本发明实施例中化学气相沉积法大面积合成的螺旋金字塔结构mos2的光学显微镜图。
17.图4是本发明实施例中螺旋金字塔结构mos2的原子力显微镜图。
18.图5是本发明实施例中螺旋金字塔结构mos2的极化曲线。
19.图6是本发明实施例中在交变电磁场下析氢性能测试装置示意图。
20.图7是本发明实施例中在有无交变电磁场下螺旋金字塔mos2的极化曲线。
21.图8是本发明实施例中在交变电磁场下测量500次循环伏安前后螺旋金字塔结构mos2的极化曲线。
具体实施方式
22.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所介绍的发明实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范畴。本发明结合附图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述附图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
23.下述实施例中所述实验表征方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂、材料和仪器设备，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
24.本发明提供了螺旋金字塔结构的二硫化钼的制备方法，以及所述螺旋金字塔结构的二硫化钼在电解水析氢反应中的应用。
25.示例性实施例：螺旋金字塔结构的二硫化钼采用改进了的化学气相沉积法制备获得，具体包括以下步骤：（1）分别将装有350毫克硫粉末和10毫克moo3粉末前驱体的石英舟放置在双温区管式炉的低温和高温区；（2）将具有300纳米sio2层的硅衬底面朝下45度倾斜插入装有moo3的石英舟中；（3）设置高低温区温度分别为700℃和300℃，氩气流速为25标况毫升每分钟（sccm），氩气从低温区流向高温区，使二硫化钼在衬底上生长，生长25分钟后自然冷却至室温，即可得到所述螺旋金字塔结构二硫化钼。
26.图1示出了改进了的化学气相沉积法实验装置示意图。所述装有moo3的石英舟中
可以加入nacl，加入nacl可以起到降低moo3升华点的作用。
27.图2示出了螺旋金字塔结构的二硫化钼生长机理图，通过螺旋位错驱动模式生长。当前驱体分子浓度较低时，产生滑动面（或螺旋缺陷），形成螺旋位错核，然后沿垂直方向逐渐生长，最终生长成三维螺旋金字塔结构的mos2。
28.图3示出了化学气相沉积法大面积合成的螺旋金字塔结构mos2的光学显微镜图，展现出高密度的螺旋金字塔结构mos2晶粒。
29.图4示出了螺旋金字塔结构mos2的原子力显微镜图，展现出明显的螺旋金字塔结构。
30.这种螺旋金字塔结构mos2，在充分暴露边缘催化活性位点的同时消除了层间势垒，使得电子可沿螺旋轨道传输而具有高效的传输效率，利于其在电催化领域的应用。
31.在0.5 mol/l h2so4溶液中开展三电极电化学测试，探究螺旋金字塔结构mos2析氢反应性能。其中，已湿法转移至玻碳上的螺旋金字塔结构二硫化钼作为工作电极，饱和硫酸亚汞和石墨分别作为参比电极和对电极。
32.图5示出了螺旋金字塔结构mos2的极化曲线，在-10 ma/cm2电流密度下过电位为-187 mv，表明螺旋金字塔mos2具有很好的析氢性能。
33.此外，这种螺旋金字塔mos2在交变电磁场下容易形成涡电流，利于磁热进一步增强其催化性能。
34.图6示出了在交变电磁场下析氢性能测试装置示意图。
35.图7示出了在有无交变电磁场下，螺旋金字塔mos2的极化曲线。在磁热技术的作用下，螺旋金字塔mos2催化性能明显提升。
36.图8示出了在交变电磁场下测量500次循环伏安前后螺旋金字塔结构mos2的极化曲线，可以看出极化曲线基本没有变化，说明螺旋金字塔结构mos2具有良好的电化学稳定性。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。