CN110143616A - 一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，将三氧化铼置于硅片A上后再置于反应舟中，将碳布基底平铺于反应舟上方，再将硅片B压盖在碳布基底上，同时还在反应舟的两端留置通气口；将硫粉置于反应容器中，反应舟和反应容器均置于石英玻璃管内，将石英玻璃管置于真空管式炉内，然后在惰性气体气氛围下，将真空管式炉内温度升至650‑850℃，保温20‑40min，即得到垂直生长的二硫化铼纳米片。本发明提供的制备方法工艺简单，所制备的三维二硫化铼纳米片作为电化学产氢催化剂具有较好电催化活性，稳定性好。同时由于生长衬底廉价，实验条件可控性好，易于引入实际工业生产当中，因此在绿色化学工业中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电化学催化产氢催化剂制备技术领域，具体涉及一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法。
背景技术
近年来，新兴的二维纳米材料已被证实具有成为重要电化学催化剂的巨大潜力。这类超薄的纳米材料与其块体相比性质差异极大，且超薄纳米片的扩散路径短，可有效促进电荷转移。二维材料可以较容易地采用多种策略制备以及调控微观结构，成为探索激发催化活性和电子转移的理想对象。其中二硫化铼由于其低结构对称性与其它过渡金属二硫化物在性能上有所不同，其具有光学和电学的各向异性，尤其是三维结构垂直生长的二硫化铼纳米片，相对于二维结构的二硫化铼纳米片来说，其活性位点能够最大限度地暴露，从而使其电子转移效率更高，催化活性更好。
目前三维结构二硫化铼纳米片的制备方法主要是气相沉积法，气相沉积法相比于其他技术工艺更加简单，更加可控，在近年来得到了广泛的应用。但是利用气相沉积法合成较大面积的三维结构二硫化铼纳米片仍存在缺陷，如得到的三维结构的二硫化铼纳米片中会混有一定量二维结构的二硫化铼纳米片以及沉积速率较低等。
为了对二硫化铼产氢催化作用进行更加深入的研究，并推动其实用化进程，亟需寻找一种工艺简单、三维结构二硫化铼纳米片产量高的制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法。
本发明提供了一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，包括以下步骤：
将三氧化铼置于硅片A上后再置于反应舟中，然后将碳布基底平铺于反应舟上方，再将硅片B压盖在碳布基底上，同时还在反应舟的两端均留置通气口；
将硫粉置于反应容器中，反应舟和反应容器均置于石英玻璃管内，再将石英玻璃管置于真空管式炉内，然后在惰性气体气氛围下，将真空管式炉内温度升至650-850℃，保温20-40min，即在碳布基底上沉积得到垂直生长的二硫化铼纳米片；
其中，所述三氧化铼与硫粉的质量比为0.4-2:100。
优选的，硅片A和碳布基底在使用前均经过预处理。
优选的，硅片A的预处理步骤如下：
将硅片A分别在无水乙醇、异丙醇和丙酮中超声清洗，干燥后得到预处理硅片。
优选的，碳布基底的预处理步骤如下：将碳布基底分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗，干燥后得到预处理碳布基底。
优选的，所述惰性气体为氩气。
优选的，真空管式炉内升温速率为30-50℃/min，惰性气体流量为50-100sccm，真空管式炉内气体压强为1×10-2-10Pa。
优选的，所述反应舟为刚玉舟，所述反应容器为石英瓦片。
优选的，制备出的二硫化铼纳米片为三维花瓣状结构，尺寸大小为5-20nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过硅片压盖碳布基底的方法使前驱体在反应区域产生富集，从而使反应更充分，反应效率提高，并且在实验中发现，采用硅片压盖碳布基底的方法制备出的基本上都是三维结构的二硫化铼纳米片，三维结构二硫化铼纳米片的产生量更大，结构更加致密，而致密结构的二硫化铼纳米片具有大的比表面积，活性位点数量得以大量暴露。
(2)本发明的方法制备出的三维结构的二硫化铼纳米片尺寸小、数量多、厚度薄，而厚度薄的纳米片的扩散路径短，可有效促进电荷转移。
(3)本发明提供的垂直生长的二硫化铼纳米片制备工艺简单，作为三维材料用作电化学产氢催化剂具有较好电催化活性，稳定性好，易于引入实际工业生产当中，因此在绿色化学工业中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例7制备出的垂直生长的二硫化铼纳米片的XRD图；
图2为本发明实施例7和对比例1制备出的二硫化铼纳米片的SEM图，其中，图(a)为实施例7制备出的垂直生长的二硫化铼纳米片的SEM图，图(b)为对比例1制备出的二硫化铼纳米片的SEM图；
图3为本发明实施例7制备出的垂直生长的二硫化铼纳米片的产氢性能图，其中10mA/cm2电流密度下的过电势为468V。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述各实施例中所述实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
实施例1
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，硅片A的预处理：将尺寸为1cm×1.8cm的硅片A分别在无水乙醇、异丙醇和丙酮中超声清洗10min，吹干后得到预处理硅片；
碳布基底的预处理：将尺寸为1.8cm×4.5cm碳布基底分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗10min、5min，然后在60℃烘箱中烘干后得到预处理碳布基底；
步骤2，称取2mg三氧化铼，平铺于预处理硅片上后再置于刚玉舟中，然后将预处理碳布基底平铺在刚玉舟上方，再将硅片B压盖在预处理碳布基底上，同时还在反应舟的两端均留置通气口；
称取500mg硫粉堆放在石英瓦片中，然后将刚玉舟和石英瓦片均置于石英玻璃管内，再将刚玉舟和石英瓦片均放入石英玻璃管内，将石英玻璃管置于真空度为1×10-2Pa的管式炉内，在氩气流量为50sccm的条件下，以30℃/min升温速率使管式炉升温到650℃，生长40min后，自然冷却到室温，即在碳布基底上沉积得到三维花瓣状结构垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为15nm；将得到的垂直生长的二硫化铼纳米片置于样品盒干燥保存，防止与氧气反应。
实施例2
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于实施例2中管式炉以30℃/min的升温速率升温到700℃，生长20min后得到垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为20nm。
实施例3
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于实施例3中管式炉内真空度为1Pa，氩气流量为80sccm，管式炉以30℃/min的升温速率升温到700℃，生长30min后得到垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为5nm。
实施例4
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于实施例4中管式炉内真空度为10Pa，氩气流量为100sccm，管式炉以40℃/min的升温速率升温到700℃，生长40min后得到垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为10nm。
实施例5
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于实施例5中管式炉以40℃/min的升温速率升温到750℃，生长20min后得到垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为8nm。
实施例6
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于实施例6中管式炉以50℃/min的升温速率升温到800℃，生长40min后得到垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为10nm。
实施例7
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于实施例7中管式炉内真空度为1Pa，三氧化铼的用量为3mg，硫粉用量为500mg，管式炉以50℃/min的升温速率升温到700℃，生长30min后得到垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为5nm。
实施例8
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于实施例8中管式炉内真空度为1Pa，三氧化铼的用量为5mg，硫粉用量为500mg，管式炉以40℃/min的升温速率升温到700℃，生长30min后得到垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为8nm。
实施例9
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于实施例9中管式炉内真空度为10Pa，三氧化铼的用量为7mg，硫粉用量为500mg，管式炉以30℃/min的升温速率升温到700℃，生长30min后得到垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为15nm。
实施例10
一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于实施例10中管式炉内真空度为10Pa，三氧化铼的用量为10mg，硫粉用量为500mg，管式炉以40℃/min的升温速率升温到700℃，生长30min后得到垂直生长的二硫化铼纳米片，该二硫化铼纳米片的平均尺寸为10nm。
对比例1
一种二硫化铼纳米片的制备方法，制备方法同实施例1，不同之处在于对比例1中刚玉舟上方铺设的预处理碳布基底上没有压盖硅片。
实施例1-10制备出的垂直生长的二硫化铼纳米片的效果基本相同，因此仅对实施例7和对比例1制备出的垂直生长的二硫化铼纳米片的性能进行检测，以说明本发明的效果，具体见图1-3。其中，图1为本发明实施例7制备出的垂直生长的二硫化铼纳米片的XRD图，如图1所示，实施例7制备出的垂直生长的二硫化铼纳米片的峰位与标准卡片一致，除了碳布基底的峰外，没有其他杂峰，这说明制备的二硫化铼纳米片纯度高，没有其他杂质。
图2为本发明实施例7和对比例1制备出的二硫化铼纳米片的SEM图，图(a)为实施例7制备出的垂直生长的二硫化铼纳米片的SEM图，图(b)为对比例1制备出的二硫化铼纳米片的SEM图，从图(a)可以看出，二硫化铼纳米片片状直立生长明显，为花瓣状，没有平面二维状的存在，尺寸大小为5-20nm，比表面积增大很多；从图(b)可以看出，三维结构花瓣状的二硫化铼纳米片和二维结构的二硫化铼纳米片混杂生长，二者均没有明显优势，说明本发明通过硅片压盖碳布基底的方法有助于三维结构二硫化铼纳米片的生长。
图3为本发明实施7例制备出的垂直生长的二硫化铼纳米片的产氢性能图，其中10mA/cm2电流密度下的过电势为468V，碳布基底在10mA/cm2不存在过电势，当二硫化铼纳米片垂直生长在碳布基底时，过电势明显减小，性能明显提高。
本发明描述了优选实施例及其效果。但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将三氧化铼置于硅片A上后再置于反应舟中，然后将碳布基底平铺于反应舟上方，再将硅片B压盖在碳布基底上，同时还在反应舟的两端均留置通气口；
将硫粉置于反应容器中，反应舟和反应容器均置于石英玻璃管内，再将石英玻璃管置于真空管式炉内，然后在惰性气体气氛围下，将真空管式炉内温度升至650-850℃，保温20-40min，即在碳布基底上沉积得到垂直生长的二硫化铼纳米片；
其中，所述三氧化铼与硫粉的质量比为0.4-2:100。
2.根据权利要求1所述的垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，其特征在于，硅片A和碳布基底在使用前均经过预处理。
3.根据权利要求2所述的垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，其特征在于，硅片A的预处理步骤如下：
将硅片A分别在无水乙醇、异丙醇和丙酮中超声清洗，干燥后得到预处理硅片。
4.根据权利要求2所述的垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，其特征在于，碳布基底的预处理步骤如下：将碳布基底分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗，干燥后得到预处理碳布基底。
5.根据权利要求1所述的垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
6.根据权利要求5所述的垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，其特征在于，真空管式炉内升温速率为30-50℃/min，惰性气体流量为50-100sccm，真空管式炉内气体压强为1×10-2-10Pa。
7.根据权利要求1所述的垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，其特征在于，所述反应舟为刚玉舟，所述反应容器为石英瓦片。
8.根据权利要求1所述的垂直生长的二硫化铼纳米片的制备方法，其特征在于，制备出的二硫化铼纳米片为三维花瓣状结构，尺寸大小为5-20nm。
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