CN103818963B - 一步水热法合成纳米片状硫化钨 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一步水热法合成纳米片状硫化钨及其应用，属于电催化析氢领域。本发明分别采用金属钨网和硫脲为钨源和硫源，通过水热反应，在金属钨网表面上生长均匀纳米片状硫化钨。该方法操作简便、反应条件温和、反应在液相中一次完成，不需要后期处理，工艺设备简单，原料易得，制备成本较低，反应周期短，可重复性高。这种材料应用在电催化析氢中表现出优异的析氢性能，其析氢过电位在200mV时，电流密度为2.53mA/cm2；当过电位为300mV时，电流密度可达到32mA/cm2；作为析氢催化剂，在开发可持续清洁能源方面具有广阔的应用前景。

Description

一步水热法合成纳米片状硫化钨
技术领域
本发明属于电催化析氢领域，具体涉及一步水热法合成纳米片状硫化钨及其应用。
背景技术
氢是一种清洁、可循环利用的物质，被认为是一种理想能源载体，可以高效地转变为可利用的有效能而不带来环境问题。电解水制氢是最有前景、最洁净的制氢方法之一，但由于析氢过电位的存在导致能耗增加，所以开发具有高活性的析氢材料来提高产氢效率这一课题已经被广泛研究。
面对当今全球所面临的能源危机和环境污染等的挑战，人们在积极探索过程中发现电催化析氢具有成本低、反应条件温和、环境友好和能耗小等优点。而寻找析氢过电势较小、廉价、地球蕴含量高且能大批量合成的析氢材料无疑是个极具挑战性的课题。
本发明中利用一步水热法在金属钨网上直接合成硫化钨纳米片状材料。这种材料在合成时，过程安全，无毒且原材料价格低廉、产物析氢性能好，是一种取代贵金属析氢的较好材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一步水热法合成纳米片状硫化钨及其应用，制备方法简单，成本低。所制备的纳米片状材料具有较低的过低析氢电势，具有优异的电催化析氢性能。合成过程中不需要复杂的仪器、操作简单，有利于大规模的生产。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种纳米片状硫化钨的一步水热合成法包括以下步骤：
（1）将金属钨网在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗20min去除化学油污，然后用去离子水冲洗干净，自然风干待用；
（2）将1~30mmol硫脲溶解在15~25mL去离子水中，搅拌均匀得到溶液A；
（3）将金属钨网放置在水热反应釜中，并往釜内倒入溶液A，填充度控制在50~90%，120~200℃反应6~72h，反应结束后自然冷却；
（4）取出金属钨网，用蒸馏水和无水乙醇依次洗涤数次，60~100℃干燥1~3h，即得纳米片状硫化钨。
所述的纳米片状硫化钨用于电解水制氢，其性能的测试条件：在三电极体系中，0.5mol/LH2SO4水溶液为电解液溶液，所制备的硫化钨电极为工作电极，银-氯化银电极为参比电极，石墨棒电极为对电极，测试温度为25℃。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明采用简单的一步水热法合成硫化钨纳米片状材料，合成方法简单，操作简便，条件温和，目标产物纯度高，安全无毒，可以大批量合成。
（2）本发明将纳米片状硫化钨材料作为析氢电催化剂，结果表明其具有较好的析氢性能且过电位较低。当其析氢过电位在200mV时，电流密度为2.53mA/cm2；当过电位为300mV时，电流密度可达到32mA/cm2。
（3）本发明合成方法简单，得到的材料易于应用，有利于在工业化生产中推广应用。
附图说明
图1为实施例1所得的纳米片状硫化钨的SEM图。
图2为实施例2所得的纳米片状硫化钨的SEM图。
图3为实施例3所得的纳米片状硫化钨的SEM图。
图4为实施例1、2和3所得的纳米片状硫化钨材料在电催化析氢体系中的活性图。
具体实施方式
实施例1
一步水热法合成纳米片状硫化钨的制备步骤包括：10mmol硫脲溶解在20ml去离子水中，将溶液转移至体积为30ml内衬为聚四氟材料的不锈钢反应釜中，取一片尺寸为2×3cm2的已经清洗干净的金属钨网放置在反应釜中，在160℃反应24h，反应结束后，让其自然冷却，产物经去离子水和乙醇洗涤数次，干燥后得到所述的纳米片状硫化钨材料。通过SEM图片可以验证这种结构的存在。
实施例2
一步水热法合成纳米片状硫化钨的制备步骤包括：5mmol硫脲溶解在25ml去离子水中，将溶液转移至体积为30ml内衬为聚四氟材料的不锈钢反应釜中，取一片尺寸为2×3cm2的已经清洗干净的金属钨网放置在反应釜中，在180℃反应12h，反应结束后，让其自然冷却，产物经去离子水和乙醇洗涤数次，干燥后得到所述的纳米片状硫化钨材料。通过SEM图片可以验证这种结构的存在。
实施例3
一步水热法合成纳米片状硫化钨的制备步骤包括：5mmol硫脲溶解在25ml去离子水中，将溶液转移至体积为30ml内衬为聚四氟材料的不锈钢反应釜中，取一片尺寸为2×3cm2的已经清洗干净的金属钨网放置在反应釜中，在200℃反应24h，反应结束后，让其自然冷却，产物经去离子水和乙醇洗涤数次，干燥后得到所述的纳米片状硫化钨材料。通过SEM图片可以验证这种结构的存在。
本发明所得到的材料应用于电催化析氢。制备的硫化钨纳米片应用于电催化析氢的三电极测试体系是在常温常压下进行的，其中电解液为0.5mol/L硫酸溶液，对电极为石墨棒，参比电极为银-氯化银电极，工作电极为上述所制的电极，测试温度为25℃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种纳米片状硫化钨的一步水热合成法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将金属钨网在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗20min去除化学油污，然后用去离子水冲洗干净，自然风干待用；
（2）将1~30mmol硫脲溶解在15~25mL去离子水中，搅拌均匀得到溶液A；
（3）将金属钨网放置在水热反应釜中，并往釜内倒入溶液A，填充度控制在50~90%，120~200℃反应6~72h，反应结束后自然冷却；
（4）取出金属钨网，用蒸馏水和无水乙醇依次洗涤数次，60~100℃干燥1~3h，即得纳米片状硫化钨。
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