一种杂原子掺杂MXene/二硫化钼电催化析氢材料及其制备方法

本发明属于电催化析氢，涉及一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料及其制备方法。

背景技术：

1、目前主要有三种工业制氢方法，分别是化石燃料制氢、工业副产物产氢及电解水制氢。其中，电解水制氢是唯一一种绿色、清洁和生态友好的制氢方法。铂、氧化钌等贵金属基电催化剂拥有最优异的性能，但贵金属的稀缺性和高成本阻碍了它们在工业上的大规模应用。因此，探索低成本高性能的非贵金属基电催化剂迫在眉睫。

2、与传统的二维材料相比，mxene具有从金属性到半导体连续可调的电子结构，同时兼具大比表面积、髙表面活性、高导电性、超亲水性等多种性质功能于一身，在构筑多功能电化学催化界面体系与催化剂方面具有独特天然优势。但其应用性能亦受限于与其表界面结构密切相关的一系列基础关键科学问题：如表面亚稳态金属原子氧化失活、本征电化学活性较差、面-面堆叠团聚等。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料及其制备方法，本发明通过杂原子掺杂mxene，使得mxene应用于电催化析氢材料，并适用于强酸电解液种进行高效析氢。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，包括如下过程：

4、将b、n杂原子共掺的mxene的分散液加入溶液c中进行水热反应，将水热反应产物离心、清洗、烘干，得到所述杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料；

5、所述溶液c采用四水合钼酸铵与硫脲的水溶液。

6、优选的，所述b、n杂原子共掺的mxene的制备过程包括：

7、将氮源进行质子化处理，得到带正电的氮源；

8、将带正电的氮源与盐酸配置成溶液a；

9、将溶液a加入mxene分散液中反应，之后进行固液分离、清洗、干燥得到n掺杂mxene前驱体；

10、对n掺杂mxene前驱体进行退火热处理；

11、将退火热处理后的n掺杂mxene前驱体的分散液与硼酸溶液混合、反应，之后进行冷冻干燥，冷冻干燥后得到b、n杂原子共掺的mxene前驱体；

12、对b、n杂原子共掺的mxene前驱体进行退火热处理，之后进行离心、清洗、干燥，得到所述b、n杂原子共掺的mxene。

13、优选的，所述氮源采用三聚氰胺，将氮源进行质子化处理的过程包括：

14、将三聚氰胺分散在溶剂中并混匀，得到三聚氰胺溶液，向三聚氰胺溶液中加入9.6mol/l～12.2mol/l的浓盐酸进行反应，使三聚氰胺带正电，再经过溶剂蒸发、研磨、清洗、干燥后，得到带正电的三聚氰胺粉末；

15、其中，三聚氰胺溶液的浓度为95～105mg/ml，搅拌转速为1000rpm～1500rpm、时长为1h～1.5h；三聚氰胺分散液与加入的浓盐酸体积比为10：1，加入后继续搅拌1～1.5h，干燥温度为50～60℃，干燥至液体被完全蒸发。

16、优选的，将带正电的三聚氰胺加入0.1m的盐酸中，配置成溶液a；

17、所述溶液a中带正电的三聚氰胺的浓度为2mg/ml。

18、优选的，将溶液a逐滴加入mxene分散液中，搅拌混合10～30min，之后进行固液分离、清洗、干燥；

19、其中，所述mxene分散液中mxene的浓度为1mg～2mg/ml，溶液a与mxene分散液体积比为1：2；

20、干燥时进行真空干燥，干燥温度为50～60℃，干燥时间为8～12h。

21、优选的，对n掺杂mxene前驱体进行退火热处理过程包括：在保护气氛下将n掺杂mxene前驱体以3～10℃/min加热至550～600℃，再保温120～240min，保温结束后完成所述退火热处理。

22、优选的，将退火热处理后的n掺杂mxene前驱体的分散液与硼酸溶液搅拌混合、反应时，采用的硼酸溶液的浓度18～50mg/ml，退火热处理后的n掺杂mxene前驱体的分散液浓度为1～2mg/ml，硼酸与退火热处理后的n掺杂mxene前驱体的质量比为3：1。

23、冷冻干燥时的温度为-30～-10℃，真空度为10～50pa，冷冻干燥时间为36～48h。

24、优选的，对b、n杂原子共掺的mxene前驱体进行退火热处理时，在保护气氛下将b、n杂原子共掺的mxene前驱体以3～10℃/min的加热速度加热至550～600℃，再保温180min，保温结束后完成所述退火热处理。

25、优选的，所述b、n杂原子共掺的mxene的分散液的液浓度为1～2mg/ml；所述溶液c中，四水合钼酸铵含量为1.5～20mm，硫脲与四水合钼酸钠的质量比为2：1；

26、b、n杂原子共掺的mxene加入溶液c中进行水热反应时：

27、四水合钼酸铵和b、n杂原子共掺的mxene质量比为(1.5～50)：1，水热反应的温度为160～200℃、时间为8～14h；水热反应后烘干的温度为50～70℃。

28、本发明还提供了一种通过本发明如上所述制备制备方法制得的杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料。

29、本发明具有如下有益效果：

30、本发明杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法中，带正电的氮源与表面带负电的mxene通过静电吸附相互作用发生胶体凝固得到n掺杂的mxene，静电相互作用使得二维的mxene纳米片生成褶皱，形成孔洞，从而能够提供更大的比表面积以及丰富的多级孔洞，经过高温退火后使其褶皱加剧得到皱皱巴巴的mxene，使二维纳米片形态转换为三维，有利于更多具有活性的催化剂的负载。而n掺杂的mxene富有的多级孔洞结构能够引起限域效应加速物质与电荷的传递速度，有利于析氢过程中电荷的转移从而提升其析氢性能。进一步利用硼酸作为硼源，向nm中掺入b元素以提高mxene本身的催化活性位点。利用硫脲和四水合钼酸铵及去离子水制备成的溶液c与杂原子掺杂的mxene材料进行水热反应时，以n、b共掺杂mxene作为二硫化钼的生长模板，使二硫化钼分散地更加均匀组织团聚，并且相互作用紧密，不同浓度的mo元素摩尔浓度得到的形貌不同，如图2～4所示为nbm上负载不同浓度mos2的扫描电镜照片，随着mo元素浓度增大看到的垂直片状mos2增多形成纳米花形貌。有利于本发明杂原子掺杂mxene/二硫化钼在电解质溶液中稳定持久高效的产生催化析氢反应。综上所述能够得到本发明的杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料能够很大程度上提高mxene材料的析氢性能并且性能稳定。

技术特征：

1.一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，其特征在于，包括如下过程：

2.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，其特征在于，所述b、n杂原子共掺的mxene的制备过程包括：

3.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，其特征在于，所述氮源采用三聚氰胺，将氮源进行质子化处理的过程包括：

4.根据权利要求3所述的一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，其特征在于，将带正电的三聚氰胺加入0.1m的盐酸中，配置成溶液a；

5.根据权利要求3所述的一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，其特征在于，将溶液a逐滴加入mxene分散液中，搅拌反应10～30min，之后进行固液分离、清洗、干燥；

6.根据权利要求3所述的一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，其特征在于，对n掺杂mxene前驱体进行退火热处理过程包括：在保护气氛下将n掺杂mxene前驱体以3～10℃/min加热至550～600℃，再保温120～240min，保温结束后完成所述退火热处理。

7.根据权利要求3所述的一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，其特征在于，将退火热处理后的n掺杂mxene前驱体的分散液与硼酸溶液混合、反应，反应时，采用的硼酸溶液的浓度18～50mg/ml，退火热处理后的n掺杂mxene前驱体的分散液浓度为1～2mg/ml，硼酸与退火热处理后的n掺杂mxene前驱体的质量比为3：1；

8.根据权利要求3所述的一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，其特征在于，对b、n杂原子共掺的mxene前驱体进行退火热处理时，在保护气氛下将b、n杂原子共掺的mxene前驱体以3～10℃/min的加热速度加热至550～600℃，再保温120～180min，保温结束后完成所述退火热处理。

9.根据权利要求3所述的一种杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料的制备方法，其特征在于，所述b、n杂原子共掺的mxene的分散液的液浓度为1～2mg/ml；所述溶液c中，四水合钼酸铵浓度为1.5～20mm，硫脲与四水合钼酸钠的质量比为2：1；

10.一种通过权利要求1-9任意一项制备方法制得的杂原子掺杂mxene/二硫化钼电催化析氢材料。

技术总结
本发明公开了一种杂原子掺杂MXene/二硫化钼电催化析氢材料及其制备方法，制备方法包括如下过程：将B、N杂原子共掺的MXene的分散液加入溶液C中进行水热反应，将水热反应产物离心、清洗、烘干，得到所述杂原子掺杂MXene/二硫化钼电催化析氢材料；所述溶液C采用四水合钼酸铵与硫脲的水溶液。本发明通过杂原子掺杂MXene，提高了MXene本身的电催化活性，进一步负载二硫化钼纳米片扩大了MXene材料在电催化析氢材料领域的应用范围，并适用于强酸电解液种进行高效析氢。

技术研发人员：郭大刚,张珂馨,秦娜娜,罗浩
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21