一种具有层级结构的VS2纳米片阵列电极材料的合成方法与流程

本发明属于电解水催化领域，涉及一种电解水催化电极材料的制备，具体涉及一种具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料的合成方法。

背景技术：

随着全球人口的增长及经济的迅猛发展，对能源的需求量大、浪费严重、化石燃料枯竭、碳排放、温室效应等一系列难题正在迫使全球进行一次彻底的能源革命。实践证明，化石燃料为主的能源结构越来越满足不了人类社会发展的要求。因此，寻找清洁、高效、可再生能源及能量载体成为当今社会讨论和研究的焦点。氢能作为新一代的绿色可持续能源，人们对其寄予厚望。电催化分解水技术是制氢的有效途径之一。

过渡金属硫化物，具有含量丰富，成本低廉等优点，在电催化水裂解方面具有广泛的应用前景。其中，vs2材料本征的金属特性及廉价优势受到了人们的广泛关注。研究表明，钒的价态灵活(+3，+4，+5)，具有良好的反应活性，另外，将催化剂与导电衬底结合，可以有效地促进电荷传输，并能明显地增强它的催化活性和稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料的合成方法，该方法操作简单，反应条件温和，耗时短，成本低廉，制备的二硫化钒产品纯度高，形貌和尺寸均一，且电催化析氢性能优异。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)采用电化学阳极氧化法处理碳布，所选电解液是浓度为3～5mol/l磷酸二氢铵，电解电流为0.2～0.6a，随后真空干燥；

2)按1：(3～6)的摩尔比取钒源和硫源，在搅拌下将钒源和硫源加入25ml-40ml去离子水中使得的钒源浓度为15～30mol/l得悬浊液a；

3)在悬浊液a中加入0.002～0.02g的十二烷基二甲基氧化胺搅拌均匀得溶液b；

4)将溶液b及步骤1)处理好的碳布装入高压反应釜中，然后置于反应烘箱中进行水热反应；

5)待反应结束后，将反应釜冷却至室温，产物用去离子水和乙醇交替冲洗数次后真空干燥得到具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料。

所述步骤1)真空干燥温度为40～60℃，干燥时间为4～12h。

所述步骤2)的钒源为乙酰丙酮钒、偏钒酸钠或十二水合钒酸钠中的一种或一种以上任意比例的混合物。

所述步骤2)的硫源为硫脲、硫代乙酰胺以及硫化钠中的一种或一种以上任意比例的混合物。

所述步骤4)水热反应温度为150～170℃，反应时间为18～26h。

所述步骤5)真空干燥温度为40～60℃，干燥时间为4～12h。

本发明采用高效、简单和低成本的一步水热法，在碳布上制备了二硫化钒纳米片阵列电催化剂，有效地提升了电解水析氢性能。

与现有技术相比，本发明可以得到以下有益效果：

1)本发明通过引入十二烷基二甲基氧化胺作为表面活性剂，采用一步水热方法，制得形貌均匀且具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料。

2)本发明所述的一步水热过程，成本低、反应周期短，反应条件温和、制备工艺简单，产品质量稳定且形貌均一，对环境友好，可以适合大规模生产。

3)本发明制备的具有层级结构的vs2纳米片阵列，极大提高了催化剂的催化活性，二维超薄的纳米片结构，暴露了更多的催化活性位点，可作为一种优异的电催化产氧电催化剂，在100ma/cm²的电流密度下，其过电势可低至369mv。

附图说明

图1为本发明实施例3制备的生长在碳布上的vs2的x-射线衍射(xrd)图谱；

图2为本发明实施例3制备的生长在碳布上的vs2的扫描电镜(sem)照片；

图3为本发明实施例3制备的生长在碳布上的vs2的线性扫描伏安(lsv)性能测试图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

1)将(1×5)cm的碳布采用电化学阳极氧化法进行处理，所选电解液是浓度为3mol/l磷酸二氢铵，电解电流为0.2a，随后在40℃真空干燥12h；

2)按1：3的摩尔比取乙酰丙酮钒和硫代乙酰胺，在搅拌下将钒源和硫源加入25ml去离子水中使得的钒源浓度为15mol/l得悬浊液a；

3)在悬浊液a中加入0.002g的十二烷基二甲基氧化胺搅拌均匀得溶液b；

4)将溶液b及步骤1)处理好的碳布装入高压反应釜中，然后置于反应烘箱中在150℃水热反应18h；

5)待反应结束后，将反应釜冷却至室温，产物用去离子水和乙醇交替冲洗3次后在40℃真空干燥12h得到具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料。

实施例2：

1)将(1×5)cm的碳布采用电化学阳极氧化法进行处理，所选电解液是浓度为4mol/l磷酸二氢铵，电解电流为0.4a，随后在50℃真空干燥10h；

2)按1：5的摩尔比取偏钒酸钠和硫脲，在搅拌下将钒源和硫源加入30ml去离子水中使得的钒源浓度为25mol/l得悬浊液a；

3)在悬浊液a中加入0.003g的十二烷基二甲基氧化胺搅拌均匀得溶液b；

4)将溶液b及步骤1)处理好的碳布装入高压反应釜中，然后置于反应烘箱中在170℃水热反应20h；

5)待反应结束后，将反应釜冷却至室温，产物用去离子水和乙醇交替冲洗3次后在50℃真空干燥10h得到具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料。

实施例3：

1)将(1×5)cm的碳布采用电化学阳极氧化法进行处理，所选电解液是浓度为5mol/l磷酸二氢铵，电解电流为0.6a，随后在60℃真空干燥4h；

2)按1：6的摩尔比取十二水合钒酸钠和硫代乙酰胺，在搅拌下将钒源和硫源加入35ml去离子水中使得的钒源浓度为30mol/l得悬浊液a；

3)在悬浊液a中加入0.02g的十二烷基二甲基氧化胺搅拌均匀得溶液b；

4)将溶液b及步骤1)处理好的碳布装入高压反应釜中，然后置于反应烘箱中在160℃水热反应26h；

5)待反应结束后，将反应釜冷却至室温，产物用去离子水和乙醇交替冲洗3次后在60℃真空干燥4h得到具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料。

本实施例制备的vs2/cc电极材料，从图1中可以看出x射线衍射峰出现的位置表示为vs2的特征峰，表明成功合成出vs2电极材料。

从图2的sem图中可以看出该样品是在碳布上生长的纳米片阵列，形成了具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料。

从图3的线性扫描伏安图中可以看出，该样品在电流密度为100ma/cm²时，它具有低的过电势，低至369mv，材料具有良好的电催化析氢活性。

实施例4：

1)将(1×5)cm的碳布采用电化学阳极氧化法进行处理，所选电解液是浓度为3.5mol/l磷酸二氢铵，电解电流为0.3a，随后在55℃真空干燥6h；

2)按1：4的摩尔比取乙酰丙酮钒与偏钒酸钠的混合物和硫化钠，在搅拌下将钒源和硫源加入40ml去离子水中使得的钒源浓度为20mol/l得悬浊液a；

3)在悬浊液a中加入0.01g的十二烷基二甲基氧化胺搅拌均匀得溶液b；

4)将溶液b及步骤1)处理好的碳布装入高压反应釜中，然后置于反应烘箱中在155℃水热反应24h；

5)待反应结束后，将反应釜冷却至室温，产物用去离子水和乙醇交替冲洗4次后在55℃真空干燥6h得到具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料。

实施例5：

1)将(1×5)cm的碳布采用电化学阳极氧化法进行处理，所选电解液是浓度为4.5mol/l磷酸二氢铵，电解电流为0.5a，随后在45℃真空干燥8h；

2)按1：6的摩尔比取乙酰丙酮钒、偏钒酸钠与十二水合钒酸钠的混合物和硫代乙酰胺与硫脲的混合物，在搅拌下将钒源和硫源加入30ml去离子水中使得的钒源浓度为28mol/l得悬浊液a；

3)在悬浊液a中加入0.015g的十二烷基二甲基氧化胺搅拌均匀得溶液b；

4)将溶液b及步骤1)处理好的碳布装入高压反应釜中，然后置于反应烘箱中在165℃水热反应20h；

5)待反应结束后，将反应釜冷却至室温，产物用去离子水和乙醇交替冲洗5次后在45℃真空干燥8h得到具有层级结构的vs2纳米片阵列电极材料。