一種二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于碳纖維材料技術領域，具體涉及一種二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]氫氣是一種高效、節能、環保的新型能源，正被廣泛應用于人們生產生活中的各個領域。水電解制氫是指在通電的作用下，在電化學催化劑表面發生氫離子得電子被還原的反應，從而產生氫氣的一類方法。目前，最高效的電解制氫的催化劑為鉑(Pt)，其過電位在OV附近，性能大大優于其它種類的催化劑材料。但是鉑作為一種貴金屬，在地球上的儲量十分有限，高昂的價格限制了其在電解制氫領域的應用，因此開發低廉、高效的析氫催化劑是十分必要的。二硫化鉬是一種類石墨烯的層狀材料，片層之間通過弱的范德華相互作用力進行連接，被廣泛應用于潤滑領域，同時也是一種高效的電催化材料。但是，二硫化鉬納米片高的比表面積使其易于發生團聚，從而大大減小其與電解液的有效接觸面積，使電催化效果大大降低。此外，由于二硫化鉬屬于半導體材料，自身導電性能不佳，若直接將二硫化鉬作為電催化析氫電極材料不利于電子的有效傳輸。目前，通過將二硫化鉬納米片生長在某些導電性較好的基底材料上是減緩二硫化鉬納米片團聚和增加其導電性的有效途徑。
[0003]碳纖維是一種含碳量在90%以上的無機高分子纖維，具有高強度、高模量和化學穩定的特性，高的長徑比和優異的導電性能，使碳纖維成為一種理想的催化劑載體材料。傳統的碳纖維種類繁多，如聚丙烯腈基碳纖維、粘膠基碳纖維等，由于其繁瑣的生產工藝、高昂的價格，大大限制了它們的廣泛應用。細菌纖維素是一種大量存在于自然界中生物高分子，將其碳化后即可得到價格低廉的碳纖維，可用于均勻分散二硫化鉬納米片。此外，通過對碳纖維進行雜原子修飾，不僅能增進其在水中的浸潤性，為無機粒子的生長提供更多的活性位點，而且能大大提升碳纖維的電導率，為電催化析氫過程中電子的轉移提供更多的途徑。故本發明旨在通過對細菌纖維素進行前期預處理使其包覆上氮源，進而碳化得到氮摻雜的碳纖維，以該氮摻雜碳纖維為模板原位生長二硫化鉬納米片后得到二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種制備過程環保、制備成本低廉的二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料及其制備方法。
[0005]本發明提供的二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料，以鉬鹽和硫鹽為前驅體，在具有三維網絡結構的氮摻雜碳纖維上原位生長二硫化鉬納米片得到。
[0006]本發明提供的二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料的制備方法，具體步驟如下:
(O制備氮前驅體聚苯胺包覆的細菌纖維素，可采用現有技術制備(如專利CN102212210A)，制得的聚苯胺包覆的細菌纖維素記為BC/PANI ；
(2)將步驟(I)所制備的聚苯胺包覆的細菌纖維放入管式爐中，在氬氣氛圍下于800-1400°C保持0.5-2h，得到氮摻雜的碳纖維，記為N-CBC ；
(3)稱取一定質量的氮摻雜碳纖維、鉬鹽和硫鹽，放入一定量(如25ml—^ 的溶劑中，超聲分散0.5-2 h ;
(4)將步驟(3)所配制的含有氮摻雜碳纖維、鉬鹽和硫鹽的分散液轉移至水熱釜中，于180-220 °C下水熱反應12-24 h ;將得到的二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料的黑色沉淀用去離子水反復洗3-5次，干燥；備用；
(5)將步驟(4)制得的二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料進行熱處理，以完善二硫化鉬納米片的晶體結構。
[0007]本發明步驟(3)中所述的鉬鹽包括鉬酸銨、鉬酸鈉或硫代鉬酸銨；所述硫鹽包括硫脲或硫化鈉。
[0008]本發明步驟(3)中所述分散氮摻雜碳纖維、鉬鹽和硫鹽所用的溶劑包括去離子水、乙醇、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮及二甲基甲酰胺，優選去離子水。
[0009]本發明步驟(3)中所述的氮摻雜碳纖維與鉬鹽的質量比為2:1 ~ 1:12，優選比例為(1-2):9，所述的鉬鹽與硫鹽的摩爾比為1: (1.8-2.2)，優選摩爾比為1:2。
[0010]本發明步驟(5)中所述的熱處理溫度為300-450°C，優選340_380°C。
[0011]附圖1為二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料的制備過程示意圖。
[0012]使用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀、電化學工作站來表征本發明所獲得的二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料的結構形貌及用作電催化析氫電極材料的催化性能，其結果如下:
(1)SEM的測試結果表明:碳-氮包覆層均勻地附著在碳纖維表面，經包覆后的纖維直徑大約為lOOnm，且表面粗糙；氮摻雜的碳纖維相互交錯，形成三維網狀結構有利于提高材料的比表面積，為二硫化鉬的生長提供更多的活性位點，同時也有利于電解液的充分滲透，提升電催化析氫活性，參見附圖2 ;所制備的二硫化鉬納米片均勻地覆蓋在氮摻雜碳纖維的表面，大大降低了二硫化鉬納米片自身的團聚，參見附圖3 ;
(2)XRD測試結果表明，所制備的氮摻雜碳纖維具有典型的碳材料衍射峰，2Θ= 26°附近的寬衍射峰對應于(002)晶面，2 Θ = 44°附近的衍射峰對應于(100)晶面，從該XRD曲線可以看出氮摻雜碳纖維具有較低的結晶度；由于二硫化鉬的XRD衍射強度明顯高于氮摻雜的碳纖維，因此二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料中的氮摻雜碳的衍射峰被覆蓋，只表現二硫化鉬的衍射峰；二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料與純二硫化鉬在2 Θ =14.2。，33.8。和59.3。均有較強的衍射峰，分別對應于(002)、(100)和(110)晶面，證明了二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料的成功制備；
(3)電化學測試結果表明，所制備的二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料具有優異的催化析氫性能，其催化析氫過電位為llOmV，塔菲爾(Tafel)曲線斜率為61mV/decade。
[0013]本發明與現有技術相比，其顯著優點:(1)將聚苯胺包覆的細菌纖維素碳化后可得到氮摻雜的碳纖維，不僅能增進其在水中的浸潤性，為無機粒子的生長提供更多的活性位點，而且能大大提升碳纖維的電導性，為電催化析氫過程中電子的轉移提供更多的途徑；
(2)二硫化鉬納米片均勻生長于氮摻雜碳纖維基板上，大大降低了二硫化鉬自身的團聚，從而提升了其電催化析氫的活性；(3)原料價格低廉、方便易得、合成簡便、穩定性好，即成本低、反應溫和、毒性小。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明中二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料制備過程示意圖。
[0015]圖2是本發明中所制備的氮摻雜碳纖維的SEM圖。
[0016]圖3是本發明中所制備的二硫化鉬納米片/氮摻雜碳纖維雜化材料的SEM照片，其中 A、B、C、D 分別對應于 N-CBC/MoS2-10、N_CBC/MoS2-90、N_CBC/MoS2-180、N-CBC/MoS2-360o
[0017