一种用作光电催化析氢材料的MoS2/In2S3复合催化剂及其制备方法与流程

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种用作光电催化析氢材料的MoS₂/In₂S₃复合催化剂及其制备方法。

背景技术：

化石燃料燃烧释放大量有毒气体，造成了严重的环境污染和危害了人们的身体健康，因此开发利用新型的清洁能源是我们面临的迫切任务。相对于风能、核能等新型可再生清洁能源，氢气具有制备条件简单、设备价格相对低廉、绿色环保等优点，且具有燃烧热值高、产物为水，没有有害气体物质生成，不污染环境，因此绿色环保可再生能源氢气具有广泛的应用前景。传统制氢方法有石油裂解法和水煤气法等，这些方法需要消耗化石原料且制备的氢气纯度低。而光电解水制氢以水为原料，原料水来源广、价格低廉且可循环使用。单纯的电解水往往消耗巨大的电能，光电析氢材料能够吸收太阳光，将光能转化为电能，减少了对电能的消耗。析氢电极材料需要具有高的电化学稳定性和较低的过电位，过电位低意味着电解水时消耗较低的电功。因此，析氢性能可以用塔菲尔斜率来衡量，塔菲尔斜率反映了参与电子数和动力学过程。塔菲尔斜率越小，则析氢性能越好。

贵金属如Pt已经被广泛证实是优异的析氢催化剂，具有接近于零伏的低过电位（相对于可逆氢电极）和小的塔菲尔斜率，催化活性高且稳定，但价格昂贵且稀少限制了它的广泛应用，因此开发无贵金属的析氢催化剂迫在眉睫。

MoS₂是一种非常优异的析氢阴极催化剂，价格低廉，具有优越的化学稳定性和析氢活性，但是，单独的MoS₂边缘析氢活性位点比较少，光生电子和空穴容易复合，严重降低了MoS₂的光电析氢性能。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种用作光电催化析氢材料的MoS₂/In₂S₃复合催化剂及其制备方法，采用水热法制备了MoS₂/In₂S₃复合催化剂，In₂S₃的加入能够增加MoS₂的析氢活性位点，降低光生电子和空穴的复合几率，极大的提高了光电催化析氢性能。并且水热法制备工艺简单，易于操作。

本发明采用如下技术方案，一种用作光电催化析氢材料的MoS₂/In₂S₃复合催化剂的制备方法，将钼源、铟源和硫源配置成溶液，经混合搅拌，超声分散均匀后，利用一步水热法在ITO玻璃基底上制备出所述的MoS₂/In₂S₃复合催化剂。

在本发明优选的实施方式中，所述的制备方法具体包括以下步骤：

（1）将钼源和铟源溶于水得到溶液，其中钼和铟的摩尔比为1：（0.5-10）；

（2）在步骤（1）中配置的溶液中加入硫源，并超声分散均匀；

（3）将步骤（2）得到的溶液和预处理过的基底ITO置于水热釜中，水热温度控制在150-220ºC，水热时间控制在15-24h；

（4）反应结束冷却到室温，取出基底ITO，分别在无水乙醇和去离子水浸泡，烘干，最后在ITO玻璃上得到MoS₂/In₂S₃复合催化剂。

在本发明优选的实施方式中，所述的钼源为钼酸钠、钼酸铵、氧化钼。

在本发明优选的实施方式中，所述的铟源为氯化铟、硝酸铟、氧化铟。

在本发明优选的实施方式中，所述的硫源为硫代乙酰胺、硫脲、硫化钠。

在本发明优选的实施方式中，所述的超声分散的时间为10-30min。

在本发明优选的实施方式中，钼和铟的摩尔比为1：（2-5），更优选为1：（2-3），最优选为1:2。

在本发明优选的实施方式中，钼和硫的摩尔比为1: (5-10)，更优选为1: 6.67。

在本发明优选的实施方式中，基底ITO的预处理为：将切割好ITO玻璃依次在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗15min，烘干待用，以去除表面的杂质避免影响实验。

在本发明优选的实施方式中，步骤4）中的浸泡时间为10-60min。

本发明还保护上述的制备方法制备得到的MoS₂/In₂S₃复合催化剂。

另外，作为比较，单纯的MoS₂的制备工艺与上述MoS₂/In₂S₃复合催化剂的制备工艺相同，除了体系中不加铟盐外。

本发明制备的MoS₂/In₂S₃复合催化剂，与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明利用一步水热法制备MoS₂/In₂S₃复合催化剂，用硫代乙酰胺替代传统的硫脲、尿素为硫源。反应中没有任何表面活性剂和其他添加剂，对环境无污染。水热制备工艺简单、易于操作和实验重复性好。

（2）在ITO玻璃基底上直接生长出MoS₂/In₂S₃复合催化剂，样品致密且连续。

（3）本发明中制备的MoS₂/In₂S₃复合催化剂具有优异的光电催化性能，在光电催化制氢方面具有广泛的应用前景。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步说明：

图1是实施例1中制备的MoS₂/In₂S₃复合催化剂的X射线光电子能谱图（XPS）

其中，a图为XPS全谱图，b图为In元素的XPS谱图，c图为Mo元素的XPS谱图，d图为S元素的XPS谱图；

图2是实施例1中制备的MoS₂的扫描电子显微镜图；

图3是实施例1中制备的MoS₂/In₂S₃复合催化剂的扫描电子显微镜照片；

图4是实施例1中制备的MoS₂和MoS₂/In₂S₃复合催化剂的塔菲尔斜率图；

图5是实施例2中制备的MoS₂/In₂S₃复合催化剂的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

实施例1

（1）分别称取0.015g二水合钼酸钠和0.0266g氯化铟（摩尔比为1:2）溶于20ml去离子水中；

（2）称取0.03g硫代乙酰胺于步骤（1）溶液中，搅拌均匀后超声30min；

（3）将步骤（2）配置的溶液转移到25ml水热釜的聚四氟乙烯内衬中，将预处理好的ITO玻璃导电面朝下斜放在于内胆中，把水热釜和内衬密封后，将水热釜的温度控制在220ºC，水热时间控制在20h，得到附着力良好的MoS₂/In₂S₃复合催化剂；

（4）取出ITO玻璃分别在无水乙醇和去离子水浸泡15min，烘干，得到MoS₂/In₂S₃复合催化剂。

单纯MoS₂的制备：称取0.015g二水合钼酸钠和0.03g硫代乙酰胺溶于20ml去离子水中，搅拌均匀后超声30min；将超声好的溶液转移到25ml水热釜的聚四氟乙烯内衬中，将预处理好的ITO玻璃导电面朝下斜放在于内胆中，把水热釜和内衬密封后，将水热釜的温度控制在220ºC，水热时间控制在20h，得到附着力良好的MoS₂催化剂。

图1的XPS谱图说明制备的复合催化剂中确实存在MoS₂和In₂S₃，没有杂质物质生成。制备的单纯MoS₂的Mo元素和S元素的XPS谱图与图1的基本一致，也证实了单纯MoS₂的存在。图2的扫描电镜图可知单纯MoS₂为片层结构，图3 MoS₂/In₂S₃复合催化剂的扫描电镜图说明In₂S₃的加入没有改变MoS₂的片层结构且片层厚度减小。从图4的塔菲尔斜率图可知，MoS₂/In₂S₃复合催化剂在无光和有光下的塔菲尔斜率分别为87mV/dec和65mV/dec，明显小于MoS₂在无光和有光下的塔菲尔斜率，说明与单纯的MoS₂相比，MoS₂/In₂S₃复合催化剂具有优异的光电催化性能。

实施例2

（1）分别称取0.015g二水合钼酸钠和0.0665g氯化铟（摩尔比为1:5）溶于20ml去离子水中；

（2）称取0.03g硫代乙酰胺与步骤1）溶液中，搅拌均匀后超声30min；

（3）将步骤2）配置的溶液转移到水热釜的聚四氟乙烯内衬中，将预处理好的ITO玻璃导电面朝下斜放在于内胆中，把水热釜和内衬密封后，将水热釜的温度控制在220ºC，水热时间控制在20h，得到附着力良好的MoS₂/In₂S₃复合催化剂；

（4）取出ITO玻璃分别在无水乙醇和去离子水浸泡15min，烘干，得到MoS₂/In₂S₃复合催化剂。

MoS₂/In₂S₃复合催化剂的扫描电镜图（图5）说明得到的薄膜是均匀连续的，与实施例1相比In₂S₃出现了明显团聚现象，团聚会影响In₂S₃与MoS₂的复合程度，也会影响MoS₂边缘活性位点的暴露，进而对催化性能产生影响，当钼和铟的摩尔比为1:2（见实施例1）时性能最好。塔菲尔斜率与实施例1的基本一致，样品也具有高的光电催化活性。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化，都应属于本发明的保护范围。