二硫化钨复合型纳米颗粒及其制备方法和作为析氢反应电催化剂的应用

1.本发明属于电催化技术领域，具体涉及二硫化钨复合型纳米颗粒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。二硫化钨（ws2）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。二硫化钨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。为提高二硫化钨析氢反应性能，一个很好的途径是增加其边缘活性位点数。其中，通过合成纳米颗粒等ws2纳米催化剂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。此外，在设计新型高效催化剂时，除了增加活性位点数外，如何提高催化剂的导电性也是研究者需要考虑的一个主要问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的是提供一种二硫化钨复合型纳米颗粒及其制备方法，以及作为析氢反应电催化剂的应用。
4.本发明提供的一种二硫化钨复合型纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：（1）提供衬底和靶材，所述靶材为二硫化钨靶和碳靶的混合靶材；（2）在真空环境中，使所述衬底和靶材沿相反方向旋转，并利用准分子激光轰击所述靶材，使得所述靶材中的二硫化钨和碳交替沉积到所述衬底上；（3）在惰性气体氛围中，将沉积了二硫化钨和碳的所述衬底进行退火处理，得到所述二硫化钨复合型纳米颗粒。
5.优选地，所述靶材为通过银胶粘合的二硫化钨靶和碳靶混合靶材。更优选地，所述二硫化钨靶为高纯二硫化钨材料，其纯度大于等于99.99%；所述碳靶为高纯碳材料，其纯度大于等于99.99%。
6.优选地，所述真空环境是指气体压力小于等于2.0
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托（torr）的环境。
7.优选地，所述旋转的速度为20转每分钟。
8.优选地，所述准分子激光为248纳米的氟化氪（krf）准分子激光，激光能量为300毫焦（mj），激光频率为5赫兹（hz）。
9.优选地，所述惰性气体为氩气。
10.优选地，所述退火处理的温度为700℃，时间为4分钟。
11.上述方法得到的二硫化钨复合型纳米颗粒在电解水析氢反应中表现出优异的催化活性和良好的稳定性，可以作为析氢反应电催化剂。
12.本发明采用脉冲激光沉积技术结合快速退火方法获得了二硫化钨复合型纳米颗
粒，其在充分暴露边缘催化活性位点的同时保证了较好的导电性，可以作为电催化剂并应用于析氢反应。
附图说明
13.图1是本发明实施例中ws2复合型纳米颗粒的透射电子显微镜图。
14.图2是本发明实施例中ws2复合型纳米颗粒的x射线光电子能谱图。
15.图3是本发明实施例中ws2复合型纳米颗粒的拉曼光谱图。
16.图4是本发明实施例中ws2复合型纳米颗粒的极化曲线图。
17.图5是本发明实施例中ws2复合型纳米颗粒的析氢性能稳定性测试结果图。
具体实施方式
18.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。
19.其次，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。
20.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。
21.示例性实施例：二硫化钨复合型纳米颗粒析氢反应电催化剂采用脉冲激光沉积技术结合快速退火方法制备获得，具体包括以下步骤：（1）分别将衬底和靶材放置在脉冲激光沉积系统的样品托和靶托上，两者间距为60毫米，靶材为通过银胶粘合的高纯（99.99%）二硫化钨靶和高纯（99.99%）碳靶混合靶材；（2）将生长腔室真空抽至1.5
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托（torr），样品托和靶托沿相反方向旋转，转速均为20转每分钟；并利用248纳米的氟化氪（krf）准分子激光轰击混合靶材20分钟，激光能量为300毫焦（mj），激光频率为5赫兹（hz）；（3）设置氩气流速为50标况毫升每分钟（sccm），快速退火炉700℃退火4分钟，即可得到所述二硫化钨复合型纳米颗粒。
22.图1示出了脉冲激光沉积技术结合快速退火方法制备获得的ws2复合型纳米颗粒的透射电子显微镜图，高密度单晶ws2纳米颗粒均匀埋嵌在无定形碳基体中，平均颗粒尺寸约为5纳米。高分辨透射电子显微镜图显示纳米颗粒晶格间距为0.270纳米，与ws2（110）晶面匹配。
23.图2示出了ws2复合型纳米颗粒的x射线光电子能谱图，确认了合成的ws2纳米颗粒的元素组成和价态。
24.图3示出了ws2复合型纳米颗粒的拉曼光谱图，进一步证实合成的ws2纳米颗粒具有很高的结晶质量。
25.在0.5 mol/l h2so4溶液中开展三电极电化学测试，探究ws2复合型纳米颗粒析氢反应性能。其中，ws2复合型纳米颗粒作为工作电极，饱和硫酸亚汞和石墨分别作为参比电极和对电极。
26.图4示出了ws2复合型纳米颗粒的极化曲线，在-10 ma/cm2电流密度下过电位为-185 mv，表明ws2复合型纳米颗粒具有很好的析氢性能。
27.图5示出了ws2复合型纳米颗粒的析氢性能稳定性测试，在230 mv恒定电位下进行催化析氢稳定性测试，在长达10小时的测试中，ws2复合型纳米颗粒展现出良好的稳定性。
28.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。


技术特征：
1.一种二硫化钨复合型纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：（1）提供衬底和靶材，所述靶材为二硫化钨靶和碳靶的混合靶材；（2）在真空环境中，使所述衬底和靶材沿相反方向旋转，并利用准分子激光轰击所述靶材，使得所述靶材中的二硫化钨和碳交替沉积到所述衬底上；（3）在惰性气体氛围中，将沉积了二硫化钨和碳的所述衬底进行退火处理，得到所述二硫化钨复合型纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述靶材为通过银胶粘合的二硫化钨靶和碳靶混合靶材。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述二硫化钨靶为高纯二硫化钨材料，其纯度大于等于99.99%；所述碳靶为高纯碳材料，其纯度大于等于99.99%。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述真空环境是指气体压力小于等于2.0
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托（torr）的环境。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述旋转的速度为20转每分钟。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述准分子激光为248纳米的氟化氪（krf）准分子激光，激光能量为300毫焦（mj），激光频率为5赫兹（hz）。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述退火处理的温度为700℃，时间为4分钟。9.根据权利要求1~8任一权利要求所述的方法得到的二硫化钨复合型纳米颗粒。10.根据权利要求9所述的二硫化钨复合型纳米颗粒在电解水析氢反应中的应用。

技术总结
本发明提供了一种二硫化钨复合型纳米颗粒及其制备方法和作为析氢反应电催化剂的应用。所述二硫化钨复合型纳米颗粒是采用脉冲激光沉积技术结合快速退火方法制备获得的，制备方法具体为：提供衬底和靶材，所述靶材为二硫化钨靶和碳靶的混合靶材；在真空环境中，使所述衬底和靶材沿相反方向旋转，并利用准分子激光轰击所述靶材，使得所述靶材中的二硫化钨和碳交替沉积到所述衬底上；在惰性气体氛围中，将沉积了二硫化钨和碳的所述衬底进行退火处理，得到所述二硫化钨复合型纳米颗粒。这种新颖的二硫化钨复合型纳米颗粒在充分暴露边缘催化活性位点的同时保证了较好的导电性，在电解水析氢反应中表现出优异的催化活性和良好的稳定性。的稳定性。的稳定性。


技术研发人员：骆兴芳 袁彩雷 胡策 周行 俞挺 郭满满 杨勇 徐铿
受保护的技术使用者：江西师范大学
技术研发日：2022.04.16
技术公布日：2022/8/30