一种用于高效析氢的三维复合催化剂AuNPs/MoS2/CFP及其制备方法与流程

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种用于高效析氢的三维复合催化剂aunps/mos2/cfp及其制备方法。

背景技术：

随着社会的发展与进步，全球对能源的需求也急剧增加，能源问题成为了当前最为迫切的问题。此外，化石燃料的燃烧使用会释放大量的毒害气体，造成了严重的环境污染，时时刻刻的危害着人们的健康。因此开发利用新型的清洁能源是我们的当务之急。在众多可能的替代能源中，利用水的电解制取氢气被认为是最具有潜力的。不仅是因为氢气具有高达142mj/kg的能量密度，更是因其来源于地球上最常见也占比量很大的水资源。此外，氢气作为燃料使用产物只有水，不会生成二氧化碳等有害气体，清洁性很好，具有广泛的应用前景。作为氢气获取的一种重要方式，电解水制氢过程制备装置简单且效率较高。其中pt族贵金属催化剂在电解制氢过程中有着极高的催化活性和效率，但因其较为昂贵的价格和稀缺的储量使得大规模制取氢气受到了限制。因此研发高性能和低成本的电催化剂成为了目前主要研究的内容。

基于二维材料的析氢催化剂成为近年来的研究热点。研究发现以二维过渡族金属硫族化合物中的典型代表二硫化钼(mos2)为例，其具有较大的比表面积和较为丰富的活性位点等特点。且由密度泛函理论(dft)计算发现，mos2的mo边缘的氢吸附自由能与pt相当，具有较高的催化活性，且层数越薄其边缘原子的析氢活性就越高。种种研究表明了mos2是一种高性能电催化剂的材料。

然而mos2作为析氢材料仍存在一定的问题，其边缘活性位点数量较少，且导电性教差，这均影响了你作为析氢材料性能的发挥。提高mos2的活性主要有两个思路：增加活性位点的数目与活性；增强电极和催化剂之间的电子输运。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种用于高效析氢的三维复合催化剂aunps/mos2/cfp及其制备方法，采用原子层沉积方法得到的mos2可以有效的提供丰富的活性位点，而基底碳纤维纸的选用和电沉积后的金纳米颗粒修饰，均有效的提高了催化剂的导电性能，极大的增强了该三维复合催化剂的析氢性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于高效析氢的三维复合催化剂aunps/mos2/cfp的制备方法，采用原子层沉积和电沉积两种方法，通过两步在碳纤维纸上制备出所述的三维复合催化剂aunps/mos2/cfp。

上述aunps/mos2/cfp复合催化剂的制备包括以下步骤：

1、基底cfp的清洗与亲水性处理

将cfp裁剪成1×1cm²大小，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗20min，将清洗好的cfp在烘箱中60°下干燥；取清洗并干燥后的cfp放入等离子表面处理机中，用18w功率的氧气等离子体活化15min，从而使cfp基底变的亲水；

2、采用原子层沉积方法，在cfp基底上进行mos2的生长制造

将基底cfp放入ald装置腔体内，安装钼源和硫源；利用载气n2将mocl5送入反应腔体内，使其通过化学吸附沉积在cfp表面；再利用n2将h2s送入ald反应腔体中，使h2s通过化学吸附沉积在mocl5表面并与之反应生成mos2；重复多次后，可得到生长在cfp上的大面积，质量均匀的制定层数的二硫化钼薄膜；

3、采用电沉积的方法，对mos2/cfp进行金纳米颗粒修饰

将生长过mos2后的cfp作为工作电极浸泡在0.1mol/lkno3质量分数为0.1%的haucl4溶液中，用i-t电沉积法进行金纳米颗粒的电沉积修饰；电沉积结束后，取出cfp，用去离子水反复冲洗并干燥，得到aunps/mos2/cfp复合催化剂。

本发明的有益效果是：

（1）本发明所述的复合催化剂为原子层沉积和电沉积两步结合制备的，制造工艺清晰简单，易于操作且可重复性好。

（2）本发明所述的复合催化剂材料生长均匀，具有较好的导电性能和丰富的活性位点，具有185mv较低的析氢起始电位和58mv/dec的tafel斜率，具有高效的析氢性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是aunps/mos2/cfp复合催化剂的制备过程示意图。

图2是按实施例2制备得到的mos2/cfp不同倍率下的sem图像。

图3是按实施例2制备得到的aunps/mos2/cfp不同倍率下的sem图像。

图1中1.预处理后的碳纤维基底（cfp），2.原子层沉积腔体（ald），3.经过ald生长mos2后的cfp（mos2/cfp），4.三电极体系电解池，电化学工作站为上海辰华公司的chi660e，5.经过电沉积金纳米颗粒后的mos2/cfp（aunps/mos2/cfp）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

对碳纤维纸进行清洗干燥后未进行plasma预处理，以六羰基钼和硫化氢作为原子层沉积的前驱体，在cfp上进行单少层二硫化钼的生长，随后放入电解质溶液中，进行金纳米颗粒的沉积修饰，对产物进行去离子水反复冲洗，烘干，最终得到三维结构的aunps/mos2/cfp复合催化剂。

本实例的碳纤维纸前期未进行plasma的亲水性处理，最终产物观察可知负载在碳纤维纸上的mos2材料较少，生长样品均匀性较差，后期的金纳米颗粒结合性也较差，析氢性能也较差。

实施例2：

对碳纤维纸进行清洗干燥后用18w功率的氧气等离子体活化15~30min，随后，以六羰基钼和硫化氢作为原子层沉积的前驱体，在cfp上进行单少层二硫化钼的生长，生长10个循环。随后放入电解质溶液中，进行金纳米颗粒的沉积修饰，对产物进行去离子水反复冲洗，烘干，最终得到三维结构的aunps/mos2/cfp复合催化剂。

本实例的碳纤维纸上mos2的原子层沉积生长循环次数为10次，产物观察可知负载在碳纤维纸上的mos2相对均匀但是较少，析氢反应的活性位点较少，析氢性能一般。

实施例3：

对碳纤维纸进行清洗干燥后用18w功率的氧气等离子体活化15~30min，随后，以六羰基钼和硫化氢作为原子层沉积的前驱体，在cfp上进行单少层二硫化钼的生长，生长100个循环。随后放入电解质溶液中，进行金纳米颗粒的沉积修饰，对产物进行去离子水反复冲洗，烘干，最终得到三维结构的aunps/mos2/cfp复合催化剂。

本实例的碳纤维纸上mos2的原子层沉积生长循环次数为100次，产物观察可知负载在碳纤维纸上的mos2相对均匀且较为丰富，析氢反应的活性位点丰富，金纳米颗粒结合紧密，析氢性能较好。

本发明具有以下优点：

首先，本发明的制备方法简便且可重复性好，通过原子层沉积和电沉积两步制备出aunps/mos2/cfp三维析氢复合材料，该结构设计不仅可以通过mos2提供丰富的析氢活性位点，更是通过电沉积金纳米颗粒的修饰提高了其导电性，使其析氢活性可以充分的发挥，显著的改善了其电催化性能。最后，本发明通过结合两步沉积方法构筑三维复合材料的方法可重复性好且操作简单，可用于大规模生产制造，使用前景广泛。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。