CN111545238A - 一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电催化产氢技术领域,且公开了一种Co9S8‑MoS2负载g‑C3N4的电催化产氢催化剂,包括以下配方原料及组分:改性多孔g‑C3N4纳米管、Co(NO3)2、均苯三甲酸、硫脲、Ni掺杂纳米MoS2。该一种Co9S8‑MoS2负载g‑C3N4的电催化产氢催化剂,通过硼化镍Ni2B原位改性g‑C3N4,在其表面形成结构缺陷,能够有效地剥离g‑C3N4,形成大量的介孔结构,增大了g‑C3N4与电解液的润湿性,提供更多的电化学活性位点,Ni2B中硼原子在g‑C3N4内部形成C‑B‑N三元结构和六方硼化氮结构,降低了g‑C3N4的电阻率,Ni取代了部分Mo的晶格,提高了MoS2的电导率,Ni掺杂纳米MoS2更好的附着在多孔g‑C3N4纳米管的孔隙和介孔结构中,Co9S8与MoS2形成异质界面,加速了电子的传输和扩散,降低了析氢反应的过电势。
Description
技术领域
本发明涉及电催化产氢技术领域,具体为一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂及其制法。
背景技术
化石燃料使人类生活生产活动中必不可少的能源,但是随着化石能源储量的日益减少,以及燃烧化石能源带来的环境问题日益严峻,开发新型高效的可再生能源成为当务之急,氢能是世界上最干净的能源,氢气的燃烧产物是无污染的水,氢能的资源丰富,燃烧热值高,燃烧性能优异,是解决能源危机的最有效的清洁能源,氢能主要应用于氢气燃烧、氢能发电、氢动力汽车、燃料电池等方面。
目前对于氢气的制取主要有矿物燃料制氢、甲烷催化热分解制氢、生物制氢和电解水制氢,其中电解水制取氢气是最具有发展潜力的制氢方法,Pt基催化剂具有优异的电催化分解水产氢的性能,但是铂等贵金属含量稀少,价格昂贵,限制了Pt基催化剂的商业化的广泛使用,碳基催化剂如石墨烯氮化碳g-C3N4具有良好的电解水析氢活性;过渡金属硫化物如MoS2、CdS等具有与Pt相近的氢吸附自由能,是一种极具潜力的电解水产氢催化剂,但是MoS2的导电性能较差,阻碍了氧化还原反应中电子的传输,抑制了电解水反应的进行,降低了析氢的效率。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂及其制法,解决了MoS2的导电性能较差,影响了催化剂的分解水产氢的效率。
(二)技术方案
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,包括以下按重量份数计的配方原料及组分:10-16份改性多孔g-C3N4纳米管、15-24份Co(NO3)2、7-9份均苯三甲酸、6-10份硫脲、41-62份Ni掺杂纳米MoS2。
优选的,所述改性多孔g-C3N4纳米管制备方法包括以下步骤:
(1)向反应瓶中加入乙二醇溶剂和三聚氰胺,搅拌均匀后加入硝酸调节溶液pH至1-2,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至55-75℃,匀速搅拌反应2-4h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物并充分干燥,制备得到三聚氰胺纳米纤维。
(2)将三聚氰胺纳米纤维置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2-8℃/min,升温至520-560℃,保温煅烧2-4h,煅烧产物即为多孔g-C3N4纳米管。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水、多孔g-C3N4纳米管和NiCl2,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理30-60min,再向反应瓶中加入NaBH4,在10-20℃下,匀速搅拌2-4h,将溶液真空干燥除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Ni2B修饰的改性多孔g-C3N4纳米管。
优选的,所述多孔g-C3N4纳米管、NiCl2和NaBH4质量比为1200-1600:1.1-1.3:1。
优选的,所述Ni掺杂纳米MoS2制备方法包括以下步骤:
(1)向反应瓶中加入蒸馏水、Na2MoO4和Ni(NO3)2,搅拌均匀后加入硫代乙酰胺,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至180-230℃,反应20-30h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,制备得到Ni掺杂纳米MoS2。
优选的,所述Na2MoO4、Ni(NO3)2和硫代乙酰胺的物质的量比为0.04-0.08:1:4-6。
优选的,所述Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂的制备方法包括以下步骤:
(1)向反应瓶中加入丙酮溶剂、10-16份改性多孔g-C3N4纳米管、15-24份Co(NO3)2和7-9份均苯三甲酸,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理1-2h,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至50-70℃,匀速搅拌反应8-15h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Co-MOFs包覆g-C3N4。
(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂、Co-MOFs包覆g-C3N4和6-10份硫脲,搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至130-150℃,反应5-10h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,将固体产物置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2-4℃/min,升温至360-380℃,保温煅烧2-4h,煅烧产物即为Co9S8包覆g-C3N4。
(3)向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Co9S8包覆g-C3N4和41-62份Ni掺杂纳米MoS2,行星球磨机公转转速为460-620rpm,自转转速为230-310rpm,进行球磨材料,直至物料全部通过1200-1800目网筛,将混合物料减压浓缩除去溶剂并充分干燥,制备得到Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比,本发明具备以下有益的技术效果:
该一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,以三聚氰胺纳米纤维为前驱体,热裂解制备出的纳米g-C3N4具有丰富的孔隙结构,增大了g-C3N4与电解液的润湿性,通过硼化镍Ni2B原位改性g-C3N4,在其表面形成结构缺陷,能够有效地剥离g-C3N4,形成大量的介孔结构,缩短电子和离子的传输路径,增大了g-C3N4的比表面积,可以提供更多的电化学活性位点,并且Ni2B中硼原子在g-C3N4内部形成C-B-N三元结构和六方硼化氮结构,降低了g-C3N4的电阻率,从而提高了g-C3N4的导电性能,降低了析氢反应的过电势。
该一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,通过水热合成法制备得到Ni掺杂纳米MoS2,Ni取代了部分Mo的晶格,提高了MoS2的电导率,同时Ni掺杂降低MoS2边缘活性位不饱和S原子的吸附氢自由能,以改性多孔g-C3N4纳米管为基体,Ni掺杂纳米MoS2更好的附着在多孔g-C3N4纳米管的孔隙和介孔结构中,有效减少了纳米MoS2的团聚和聚集,避免电化学活性位点被覆盖,从而大幅增强了催化剂的析氢活性。
该一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,以钴基金属有机骨架包覆g-C3N4为前驱体,硫脲为硫源,热裂解制备得到Co9S8包覆g-C3N4,再与Ni掺杂纳米MoS2复合,Co9S8与MoS2形成异质界面,加速了电子的传输和扩散,从而降低了析氢反应的过电势。
具体实施方式
为实现上述目的,本发明提供如下具体实施方式和实施例:一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,包括以下按重量份数计的配方原料及组分:10-16份改性多孔g-C3N4纳米管、15-24份Co(NO3)2、7-9份均苯三甲酸、6-10份硫脲、41-62份Ni掺杂纳米MoS2。
改性多孔g-C3N4纳米管制备方法包括以下步骤:
(1)向反应瓶中加入乙二醇溶剂和三聚氰胺,搅拌均匀后加入硝酸调节溶液pH至1-2,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至55-75℃,匀速搅拌反应2-4h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物并充分干燥,制备得到三聚氰胺纳米纤维。
(2)将三聚氰胺纳米纤维置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2-8℃/min,升温至520-560℃,保温煅烧2-4h,煅烧产物即为多孔g-C3N4纳米管。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水、多孔g-C3N4纳米管和NiCl2,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理30-60min,再向反应瓶中加入NaBH4,其中多孔g-C3N4纳米管、NiCl2和NaBH4质量比为1200-1600:1.1-1.3:1,在10-20℃下,匀速搅拌2-4h,将溶液真空干燥除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Ni2B修饰的改性多孔g-C3N4纳米管。
Ni掺杂纳米MoS2制备方法包括以下步骤:
(1)向反应瓶中加入蒸馏水,Na2MoO4和Ni(NO3)2,搅拌均匀后加入硫代乙酰胺,三者物质的量比为0.04-0.08:1:4-6,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至180-230℃,反应20-30h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,制备得到Ni掺杂纳米MoS2。
Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂的制备方法包括以下步骤:
(1)向反应瓶中加入丙酮溶剂、10-16份改性多孔g-C3N4纳米管、15-24份Co(NO3)2和7-9份均苯三甲酸,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理1-2h,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至50-70℃,匀速搅拌反应8-15h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Co-MOFs包覆g-C3N4。
(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂、Co-MOFs包覆g-C3N4和6-10份硫脲,搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至130-150℃,反应5-10h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,将固体产物置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2-4℃/min,升温至360-380℃,保温煅烧2-4h,煅烧产物即为Co9S8包覆g-C3N4。
(3)向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Co9S8包覆g-C3N4和41-62份Ni掺杂纳米MoS2,行星球磨机公转转速为460-620rpm,自转转速为230-310rpm,进行球磨材料,直至物料全部通过1200-1800目网筛,将混合物料减压浓缩除去溶剂并充分干燥,制备得到Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂。
取向乙醇和蒸馏水混合溶剂中,加入Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂和Nafion溶液,搅拌均匀形成浆液,均匀涂覆在玻碳电极上,并充分干燥,制备得到电催化工作电极。
实施例1
(1)制备三聚氰胺纳米纤维组分1:向反应瓶中加入乙二醇溶剂和三聚氰胺,搅拌均匀后加入硝酸调节溶液pH至2,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至55℃,匀速搅拌反应2h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物并充分干燥,制备得到三聚氰胺纳米纤维组分1。
(2)制备多孔g-C3N4纳米管组分1:将三聚氰胺纳米纤维组分1置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2℃/min,升温至520℃,保温煅烧2h,煅烧产物即为多孔g-C3N4纳米管组分1。
(3)制备改性多孔g-C3N4纳米管组分1:向反应瓶中加入蒸馏水、多孔g-C3N4纳米管组分1和NiCl2,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理30min,再向反应瓶中加入NaBH4,其中多孔g-C3N4纳米管、NiCl2和NaBH4质量比为1200:1.1:1,在10℃下,匀速搅拌2h,将溶液真空干燥除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Ni2B修饰的改性多孔g-C3N4纳米管组分1。
(4)制备Ni掺杂纳米MoS2组分1:向反应瓶中加入蒸馏水,Na2MoO4和Ni(NO3)2,搅拌均匀后加入硫代乙酰胺,三者物质的量比为0.04:1:4,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至180℃,反应20h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,制备得到Ni掺杂纳米MoS2组分1。
(5)制备Co-MOFs包覆g-C3N4组分1:向反应瓶中加入丙酮溶剂、10份改性多孔g-C3N4纳米管组分1、15份Co(NO3)2和7份均苯三甲酸,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理1h,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至50℃,匀速搅拌反应8h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Co-MOFs包覆g-C3N4组分1。
(6)制备Co9S8包覆g-C3N4组分1:向反应瓶中加入乙醇溶剂、Co-MOFs包覆g-C3N4组分1和6份硫脲,搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至130℃,反应5h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,将固体产物置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2℃/min,升温至360℃,保温煅烧2h,煅烧产物即为Co9S8包覆g-C3N4组分1。
(7)制备Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料1:向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Co9S8包覆g-C3N4组分1和62份Ni掺杂纳米MoS2组分1,行星球磨机公转转速为460rpm,自转转速为230rpm,进行球磨材料,直至物料全部通过1200目网筛,将混合物料减压浓缩除去溶剂并充分干燥,制备得到Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料1。
(8)取向乙醇和蒸馏水混合溶剂中,加入Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料1和Nafion溶液,搅拌均匀形成浆液,均匀涂覆在玻碳电极上,并充分干燥,制备得到电催化工作电极1。
实施例2
(1)制备三聚氰胺纳米纤维组分2:向反应瓶中加入乙二醇溶剂和三聚氰胺,搅拌均匀后加入硝酸调节溶液pH至2,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至75℃,匀速搅拌反应2h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物并充分干燥,制备得到三聚氰胺纳米纤维组分2。
(2)制备多孔g-C3N4纳米管组分2:将三聚氰胺纳米纤维组分2置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为8℃/min,升温至520℃,保温煅烧4h,煅烧产物即为多孔g-C3N4纳米管组分2。
(3)制备改性多孔g-C3N4纳米管组分2:向反应瓶中加入蒸馏水、多孔g-C3N4纳米管组分2和NiCl2,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理30min,再向反应瓶中加入NaBH4,其中多孔g-C3N4纳米管、NiCl2和NaBH4质量比为1600:1.1:1,在10℃下,匀速搅拌4h,将溶液真空干燥除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Ni2B修饰的改性多孔g-C3N4纳米管组分2。
(4)制备Ni掺杂纳米MoS2组分2:向反应瓶中加入蒸馏水,Na2MoO4和Ni(NO3)2,搅拌均匀后加入硫代乙酰胺,三者物质的量比为0.04:1:4,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至230℃,反应20h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,制备得到Ni掺杂纳米MoS2组分2。
(5)制备Co-MOFs包覆g-C3N4组分2:向反应瓶中加入丙酮溶剂、11份改性多孔g-C3N4纳米管组分2、17份Co(NO3)2和7.5份均苯三甲酸,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理2h,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至70℃,匀速搅拌反应8h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Co-MOFs包覆g-C3N4组分2。
(6)制备Co9S8包覆g-C3N4组分2:向反应瓶中加入乙醇溶剂、Co-MOFs包覆g-C3N4组分2和7.5份硫脲,搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至130℃,反应10h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,将固体产物置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2℃/min,升温至360℃,保温煅烧4h,煅烧产物即为Co9S8包覆g-C3N4组分2。
(7)制备Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料2:向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Co9S8包覆g-C3N4组分2和57份Ni掺杂纳米MoS2组分2,行星球磨机公转转速为460rpm,自转转速为230rpm,进行球磨材料,直至物料全部通过1200目网筛,将混合物料减压浓缩除去溶剂并充分干燥,制备得到Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料2。
(8)取向乙醇和蒸馏水混合溶剂中,加入Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料2和Nafion溶液,搅拌均匀形成浆液,均匀涂覆在玻碳电极上,并充分干燥,制备得到电催化工作电极2。
实施例3
(1)制备三聚氰胺纳米纤维组分3:向反应瓶中加入乙二醇溶剂和三聚氰胺,搅拌均匀后加入硝酸调节溶液pH至1,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至65℃,匀速搅拌反应3h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物并充分干燥,制备得到三聚氰胺纳米纤维组分3。
(2)制备多孔g-C3N4纳米管组分3:将三聚氰胺纳米纤维组分3置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为5℃/min,升温至540℃,保温煅烧3h,煅烧产物即为多孔g-C3N4纳米管组分3。
(3)制备改性多孔g-C3N4纳米管组分3:向反应瓶中加入蒸馏水、多孔g-C3N4纳米管组分3和NiCl2,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理45min,再向反应瓶中加入NaBH4,其中多孔g-C3N4纳米管、NiCl2和NaBH4质量比为1400:1.2:1,在15℃下,匀速搅拌3h,将溶液真空干燥除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Ni2B修饰的改性多孔g-C3N4纳米管组分3。
(4)制备Ni掺杂纳米MoS2组分3:向反应瓶中加入蒸馏水,Na2MoO4和Ni(NO3)2,搅拌均匀后加入硫代乙酰胺,三者物质的量比为0.06:1:5,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至200℃,反应25h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,制备得到Ni掺杂纳米MoS2组分3。
(5)制备Co-MOFs包覆g-C3N4组分3:向反应瓶中加入丙酮溶剂、12份改性多孔g-C3N4纳米管组分3、20份Co(NO3)2和8份均苯三甲酸,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理1.5h,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至60℃,匀速搅拌反应12h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Co-MOFs包覆g-C3N4组分3。
(6)制备Co9S8包覆g-C3N4组分3:向反应瓶中加入乙醇溶剂、Co-MOFs包覆g-C3N4组分3和8份硫脲,搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至140℃,反应7h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,将固体产物置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为3℃/min,升温至370℃,保温煅烧3h,煅烧产物即为Co9S8包覆g-C3N4组分3。
(7)制备Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料3:向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Co9S8包覆g-C3N4组分3和52份Ni掺杂纳米MoS2组分3,行星球磨机公转转速为540rpm,自转转速为270rpm,进行球磨材料,直至物料全部通过1500目网筛,将混合物料减压浓缩除去溶剂并充分干燥,制备得到Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料3。
(8)取向乙醇和蒸馏水混合溶剂中,加入Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料3和Nafion溶液,搅拌均匀形成浆液,均匀涂覆在玻碳电极上,并充分干燥,制备得到电催化工作电极3。
实施例4
(1)制备三聚氰胺纳米纤维组分4:向反应瓶中加入乙二醇溶剂和三聚氰胺,搅拌均匀后加入硝酸调节溶液pH至2,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至55℃,匀速搅拌反应4h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物并充分干燥,制备得到三聚氰胺纳米纤维组分4。
(2)制备多孔g-C3N4纳米管组分4:将三聚氰胺纳米纤维组分4置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2℃/min,升温至560℃,保温煅烧4h,煅烧产物即为多孔g-C3N4纳米管组分4。
(3)制备改性多孔g-C3N4纳米管组分4:向反应瓶中加入蒸馏水、多孔g-C3N4纳米管组分4和NiCl2,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理30min,再向反应瓶中加入NaBH4,其中多孔g-C3N4纳米管、NiCl2和NaBH4质量比为1600:1.1:1,在20℃下,匀速搅拌4h,将溶液真空干燥除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Ni2B修饰的改性多孔g-C3N4纳米管组分4。
(4)制备Ni掺杂纳米MoS2组分4:向反应瓶中加入蒸馏水,Na2MoO4和Ni(NO3)2,搅拌均匀后加入硫代乙酰胺,三者物质的量比为0.08:1:4,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至200℃,反应30h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,制备得到Ni掺杂纳米MoS2组分4。
(5)制备Co-MOFs包覆g-C3N4组分4:向反应瓶中加入丙酮溶剂、14.5份改性多孔g-C3N4纳米管组分4、22份Co(NO3)2和8.5份均苯三甲酸,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理1h,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至50℃,匀速搅拌反应15h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Co-MOFs包覆g-C3N4组分4。
(6)制备Co9S8包覆g-C3N4组分4:向反应瓶中加入乙醇溶剂、Co-MOFs包覆g-C3N4组分4和9份硫脲,搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至150℃,反应5h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,将固体产物置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为4℃/min,升温至380℃,保温煅烧2h,煅烧产物即为Co9S8包覆g-C3N4组分4。
(7)制备Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料4:向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Co9S8包覆g-C3N4组分4和46份Ni掺杂纳米MoS2组分4,行星球磨机公转转速为460rpm,自转转速为230rpm,进行球磨材料,直至物料全部通过1800目网筛,将混合物料减压浓缩除去溶剂并充分干燥,制备得到Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料4。
(8)取向乙醇和蒸馏水混合溶剂中,加入Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料4和Nafion溶液,搅拌均匀形成浆液,均匀涂覆在玻碳电极上,并充分干燥,制备得到电催化工作电极4。
实施例5
(1)制备三聚氰胺纳米纤维组分5:向反应瓶中加入乙二醇溶剂和三聚氰胺,搅拌均匀后加入硝酸调节溶液pH至1,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至75℃,匀速搅拌反应4h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物并充分干燥,制备得到三聚氰胺纳米纤维组分5。
(2)制备多孔g-C3N4纳米管组分5:将三聚氰胺纳米纤维组分5置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为8℃/min,升温至560℃,保温煅烧4h,煅烧产物即为多孔g-C3N4纳米管组分5。
(3)制备改性多孔g-C3N4纳米管组分5:向反应瓶中加入蒸馏水、多孔g-C3N4纳米管组分5和NiCl2,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理45min,再向反应瓶中加入NaBH4,其中多孔g-C3N4纳米管、NiCl2和NaBH4质量比为1600:1.3:1,在20℃下,匀速搅拌4h,将溶液真空干燥除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Ni2B修饰的改性多孔g-C3N4纳米管组分5。
(4)制备Ni掺杂纳米MoS2组分5:向反应瓶中加入蒸馏水,Na2MoO4和Ni(NO3)2,搅拌均匀后加入硫代乙酰胺,三者物质的量比为0.08:1:6,将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至230℃,反应30h,将溶液过滤除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,制备得到Ni掺杂纳米MoS2组分5。
(5)制备Co-MOFs包覆g-C3N4组分5:向反应瓶中加入丙酮溶剂、16份改性多孔g-C3N4纳米管组分5、24份Co(NO3)2和9份均苯三甲酸,将反应瓶置于超声分散仪中,进行超声分散处理2h,将反应瓶置于恒温水浴锅中,加热至70℃,匀速搅拌反应15h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物,并充分干燥,制备得到Co-MOFs包覆g-C3N4组分5。
(6)制备Co9S8包覆g-C3N4组分5:向反应瓶中加入乙醇溶剂、Co-MOFs包覆g-C3N4组分3和10份硫脲,搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜中,并置于反应釜加热箱中,加热至150℃,反应10h,将溶液减压浓缩除去溶剂,使用蒸馏水洗涤固体产物并充分干燥,将固体产物置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为4℃/min,升温至380℃,保温煅烧4h,煅烧产物即为Co9S8包覆g-C3N4组分5。
(7)制备Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料5:向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Co9S8包覆g-C3N4组分5和41份Ni掺杂纳米MoS2组分3,行星球磨机公转转速为620rpm,自转转速为310rpm,进行球磨材料,直至物料全部通过1800目网筛,将混合物料减压浓缩除去溶剂并充分干燥,制备得到Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料5。
(8)取向乙醇和蒸馏水混合溶剂中,加入Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂材料5和Nafion溶液,搅拌均匀形成浆液,均匀涂覆在玻碳电极上,并充分干燥,制备得到电催化工作电极5。
以铂片作为对电极、Ag/AgCl作为参比电极,电解液为1mol/L的氢氧化钾溶液,使用CHI660D电化学工作站测试实施例1-5中电催化工作电极的析氢电位,测试标准为GB/T20042.4-2009。
综上所述,该一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,以三聚氰胺纳米纤维为前驱体,热裂解制备出的纳米g-C3N4具有丰富的孔隙结构,增大了g-C3N4与电解液的润湿性,通过硼化镍Ni2B原位改性g-C3N4,在其表面形成结构缺陷,能够有效地剥离g-C3N4,形成大量的介孔结构,缩短电子和离子的传输路径,增大了g-C3N4的比表面积,可以提供更多的电化学活性位点,并且Ni2B中硼原子在g-C3N4内部形成C-B-N三元结构和六方硼化氮结构,降低了g-C3N4的电阻率,从而提高了g-C3N4的导电性能,降低了析氢反应的过电势。
通过水热合成法制备得到Ni掺杂纳米MoS2,Ni取代了部分Mo的晶格,提高了MoS2的电导率,同时Ni掺杂降低MoS2边缘活性位不饱和S原子的吸附氢自由能,以改性多孔g-C3N4纳米管为基体,Ni掺杂纳米MoS2更好的附着在多孔g-C3N4纳米管的孔隙和介孔结构中,有效减少了纳米MoS2的团聚和聚集,避免电化学活性位点被覆盖,从而大幅增强了催化剂的析氢活性。
以钴基金属有机骨架包覆g-C3N4为前驱体,硫脲为硫源,热裂解制备得到Co9S8包覆g-C3N4,再与Ni掺杂纳米MoS2复合,Co9S8与MoS2形成异质界面,加速了电子的传输和扩散,从而降低了析氢反应的过电势。
Claims (6)
1.一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,包括以下按重量份数计的配方原料及组分,其特征在于:10-16份改性多孔g-C3N4纳米管、15-24份Co(NO3)2、7-9份均苯三甲酸、6-10份硫脲、41-62份Ni掺杂纳米MoS2。
2.根据权利要求1所述的一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,其特征在于:所述改性多孔g-C3N4纳米管制备方法包括以下步骤:
(1)向乙二醇溶剂中加入三聚氰胺,搅拌均匀后加入硝酸调节溶液pH至1-2,就溶液加热至55-75℃,匀速搅拌反应2-4h,将溶液除去溶剂,洗涤固体产物并干燥,制备得到三聚氰胺纳米纤维;
(2)将三聚氰胺纳米纤维置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2-8℃/min,升温至520-560℃,保温煅烧2-4h,煅烧产物即为多孔g-C3N4纳米管;
(3)向蒸馏水溶剂中加入多孔g-C3N4纳米管和NiCl2,将溶液进行超声分散处理30-60min,再加入NaBH4,在10-20℃下,匀速搅拌2-4h,将溶液除去溶剂,洗涤固体产物并干燥,制备得到Ni2B修饰的改性多孔g-C3N4纳米管。
3.根据权利要求2所述的一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,其特征在于:所述多孔g-C3N4纳米管、NiCl2和NaBH4质量比为1200-1600:1.1-1.3:1。
4.根据权利要求1所述的一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,其特征在于:所述Ni掺杂纳米MoS2制备方法包括以下步骤:
(1)向反应釜中中加入蒸馏水溶剂、Na2MoO4、Ni(NO3)2和硫代乙酰胺,加热至180-230℃,反应20-30h,将溶液除去溶剂,洗涤固体产物并干燥,制备得到Ni掺杂纳米MoS2。
5.根据权利要求4所述的一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,其特征在于:所述Na2MoO4、Ni(NO3)2和硫代乙酰胺的物质的量比为0.04-0.08:1:4-6。
6.根据权利要求1所述的一种Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂,其特征在于:所述Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂的制备方法包括以下步骤:
(1)向丙酮溶剂中加入10-16份改性多孔g-C3N4纳米管、15-24份Co(NO3)2和7-9份均苯三甲酸,将溶液进行超声分散处理1-2h,然后加热至50-70℃,反应8-15h,将溶液除去溶剂,洗涤固体产物并干燥,制备得到Co-MOFs包覆g-C3N4;
(2)向聚四氟乙烯反应釜中加入乙醇溶剂、Co-MOFs包覆g-C3N4和6-10份硫脲,加热至130-150℃,反应5-10h,将溶液除去溶剂,洗涤固体产物并干燥,将固体产物置于气氛电阻炉中并通入氮气,升温速率为2-4℃/min,升温至360-380℃,保温煅烧2-4h,煅烧产物即为Co9S8包覆g-C3N4;
(3)向行星球磨机中加入乙醇溶剂、Co9S8包覆g-C3N4和41-62份Ni掺杂纳米MoS2,行星球磨机公转转速为460-620rpm,自转转速为230-310rpm,进行球磨材料,直至物料全部通过1200-1800目网筛,将混合物料除去溶剂并干燥,制备得到Co9S8-MoS2负载g-C3N4的电催化产氢催化剂。
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