CN110790318A - 一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法。其包括：1）将有机配体溶于含有钼和钴的水溶液中，配制为前驱体溶液，随后对前驱体溶液进行油浴加热反应，反应后过滤得到CoMo‑MOF材料；2）将所得CoMo‑MOF材料分散于有机溶剂中配制为分散液，随后对分散液进行水热反应，反应后过滤并清洗干燥得到CoMo‑S粉末；3）将CoMo‑S粉末置于还原气氛中进行高温煅烧，即制得Co9S8/MoS2多级结构复合材料。本发明制备方法简洁高效，对设备需求低，容易实现产业化生产；制备稳定性高，各个步骤均能够对产物的尺寸及形貌进行有效的调控，保持其结构的稳定性及尺寸的均一性。

Description

一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法。
背景技术
半导体过渡金属硫化物在光学传感器、光电子器件、磁性器件和催化等领域具有广泛的应用前景。在各种过渡金属硫化物中，Co9S8是一种有效的加氢脱硫催化剂，对酸性溶液中氧还原反应（ORR）的催化活性较高，但由于其固有的低电导率和易聚集性，还不能满足金属-空气电池或燃料电池的实际需要。MoS2是过渡金属双卤代化物（TMDC）家族的化合物，其中过渡金属阳离子（M4+）平面夹在硫族阴离子（S2-）平面和单个单分子层之间MX2由弱范德华相互作用结合在一起。近年来的研究进展表明，纳米二硫化钼（MoS2）有望取代铂，用于水的电化学氢生成。通过将Co9S8和MoS2进行复合，构筑Co9S8/MoS2多级结构复合材料，不仅可以有效调整催化剂的纳米结构，暴露了更多的催化位点，提供较高的活性，还可以提供界面化学相互作用或电耦合作为两种组分之间协同作用的手段，从而提高催化性能和稳定性。
然而，传统制备多级结构的合成方法，包括模板法和表面活性剂法，由于其繁琐和耗时的缺点，未能被广泛应用。因此，探索简单有效的合成Co9S8/MoS2多级结构复合材料的方法是非常必要的。
如中国专利局于2017年3月15日公开的一种高性能微纳米多级结构MoS2材料、制备方法及应用的发明专利授权，授权公开号为CN105600824B，其利用表面活性法进行制备多级结构材料，且是单MoS2多级结构材料，制备过程较为复杂，且其电化学性能较差。
又如中国专利局于2018年8月23日公开的一种硫化钼多级结构纳米材料及其制备方法与应用的发明专利授权，授权公开号为CN106145191B，其在液相剥离硫化钼纳米片表面原位生长法负载溶剂热合成硫化钼纳米片；其中溶剂热合成硫化钼纳米片以卷曲的片状形式垂直生长在液相剥离硫化钼纳米片上。其制备：通过超声辅助剥离法制备单层或少层的液相剥离硫化钼纳米片，再通过溶剂热法在液相剥离硫化钼纳米片层上原位生长溶剂热合成硫化钼纳米片。该技术方案同样制备效率有限，整体制备较为繁琐，同时其难以适用于复合硫化物多级结构复合材料的制备。
发明内容
为解决现有多级结构的制备流程复杂、过程繁琐，并且存在耗能、耗时的缺点，以及现有的工艺难以制备得到复合成分多级结构材料等问题，本发明提供了一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法。其目的在于：一、简化制备工艺，降低制备所需的设备要求；二、提高制备稳定性，确保制备所得的多级结构复合材料尺寸均一、结构稳定且组分分布均匀；三、优化所制得的多级结构复合材料的电化学性能，提高其催化活性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法，
所述制备方法包括以下制备步骤：
1）将有机配体溶于含有钼和钴的水溶液中，配制为前驱体溶液，随后对前驱体溶液进行油浴加热反应，反应后过滤得到CoMo-MOF材料；
2）将所得CoMo-MOF材料分散于有机溶剂中配制为分散液，随后对分散液进行水热反应，反应后过滤并清洗干燥得到CoMo-S粉末；
3）将CoMo-S粉末置于还原气氛中进行高温煅烧，即制得Co9S8/MoS2多级结构复合材料。
本发明制备方法主要存在以下三个步骤：双金属MOF材料（CoMo-MOF材料，MOF即金属-有机骨架材料）的制备、初步硫化复合、形成多级分层结构。其通过简单的油浴热反应实现双金属MOF材料的快速制备，简洁高效且对设备需求极低，随后进行低温水热，同时对设备的需求低，制备难度小，过程简洁，最后进行还原煅烧即可形成双金属硫化物多级结构复合材料（Co9S8/MoS2多级结构复合材料）。制备过程中，通过首先制备双金属MOF材料，使得两种金属成分首先形成均匀的复合，有利于后续多级结构复合材料的制备。
作为优选，
步骤1）所述前驱体溶液中钼和钴的总摩尔浓度为0.05～0.5mol/L；
步骤1）所述前驱体溶液中有机配体为2-甲基咪唑，其摩尔浓度为0.05～0.5mol/L。
钴和钼的总浓度过高会导致双金属MOF材料的比表面积减小、发生富集，而浓度过低则会无法良好地形成双金属MOF复合结构；同样有机配体浓度过高会导致双金属MOF材料的比表面积减小，而浓度过低则会导致双金属MOF材料难以形成。
作为优选，
步骤1）所述油浴加热反应过程中：油浴反应温度为80～180℃，油浴反应时间为8～18h。
油浴温度及油浴时长对双金属MOF材料的形成速率、微观结构稳定性及微观尺寸产生影响，在上述范围内能够制备得到在本发明中最适用的双金属MOF材料。油浴反应的最佳温度为120℃，反应时长为12h。
作为优选，
步骤2）所述有机溶剂为硫代乙酰胺的乙醇溶液；
所述有机溶剂中硫代乙酰胺浓度为0.1～5.0mg/mL；
步骤2）所述分散液中CoMo-MOF浓度为0.05～5.0mg/mL。
有机溶剂为含硫有机溶剂，选用硫代乙酰胺作为硫源并溶于乙醇中配制形成有机溶剂，其溶液成分稳定、与钼和钴的复合反应稳定，不产生副产物，有利于钴钼硫三者复合的粉末材料的制备。但硫代乙酰胺浓度过高时会容易导致粉末材料中掺杂杂质硫成分，降低后续最终产物Co9S8/MoS2多级结构复合材料的纯度，并且容易导致粉体富集，难以控制终产物的尺寸及形貌，而浓度过低时则会导致复合不均，降低原料利用率，且产生杂质。分散液中CoMo-MOF的最优浓度为0.165mg/mL。
作为优选，
所述有机溶剂中硫代乙酰胺浓度为0.8～1.2mg/mL。
在上述浓度范围内能够避免杂质形成，又能够确保原料利用率高、粉体结构稳定、尺寸均一。
作为优选，
步骤2）所述水热反应过程中：水热温度为100～240℃，反应时长为6～36h。
水热温度对反应速率产生影响，但温度过低时反应难以进行，温度过高时反应速率过快容易导致粉体富集，使得粉末材料产生尺寸不均等问题。水热温度最优为160℃，水热时长最优为20h。
作为优选，
步骤3）所述还原气氛为氢气/氩气混合气氛，混合气氛中氢气含量≥5%VOL；
步骤3）所述高温煅烧过程中，煅烧温度为300～1000℃，煅烧时间为2～6h。
氢气含量不宜过高，其仅需满足至少5%VOL即可。煅烧温度最优为500℃，煅烧时间最优为3h。
本发明的有益效果是：
1）制备简洁高效，对设备需求低，容易实现产业化生产；
2）制备稳定性高，各个步骤均能够对产物的尺寸及形貌进行有效的调控，保持其结构的稳定性及尺寸的均一性；
3）通过工艺控制产物形貌及尺寸，能够有效提升终产物Co9S8/MoS2多级结构复合材料的电化学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得CoMo-MOF的形貌结构图和XRD图；
图2为本发明实施例1所制得CoMo-S的形貌图；
图3为本发明实施例1所制得Co9S8/MoS2多级结构复合材料的形貌结构图；
图4为本发明实施例1所制得Co9S8/MoS2多级结构复合材料的XRD谱图；
图5为本发明实施例1所制得Co9S8/MoS2多级结构复合材料的催化性能图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
实施例1
一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法，
所述制备方法包括以下制备步骤：
1）将5gMoO3加入至250mL去离子水中，加入4.75g 2-甲基咪唑超声溶解形成A液，再称取2.6gCo(NO3)2·6H2O加入至250mL去离子水中超声溶解形成B液，混合A液和B液，配制为前驱体溶液，随后对前驱体溶液进行120℃的油浴加热反应12h，反应后冷却至室温，离心过滤并洗涤三次得到CoMo-MOF材料，60℃真空干燥12h；
2）取50mg硫代乙酰胺溶于50mL乙醇中，配制为有机溶剂，称取8.25mg的CoMo-MOF材料分散于有机溶剂中配制为分散液，随后对分散液进行160℃水热反应20h，反应后冷却至室温并过滤，用乙醇离心洗涤3次后真空干燥得到CoMo-S粉末；
3）将CoMo-S粉末置于氢气含量≥5%VOL的氢气/氮气混合气氛中进行500℃高温煅烧3h，升温速率为5℃/min，煅烧后冷却至室温即制得Co9S8/MoS2多级结构复合材料。
对本实施例所制得的CoMo-MOF材料、CoMo-S粉末和Co9S8/MoS2多级结构复合材料进行表征和测试，表征和测试包括：
（1）形貌分析：
SEM分析：
SEM测试在HITACHI S-4700扫描电子显微镜上进行，所用样品制备方法如下：取少量上述所得的CoMo-MOF材料晶体粉末、CoMo-S粉末、Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末置于贴有导电胶的支持台表面，随后将其放入SEM腔室中进行测试。
高分辨TEM分析：
TEM测试在JEOL 2010F型透射电子显微镜上进行，所用样品的制备方法如下：取上述实施例1制备所得Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末微量，分别滴加约1 ml乙醇，超声分散10min至分散均匀，取少量分散液利用滴液法滴加在带微栅铜网表面（含微孔碳支持膜），置于室温下自然干燥。
（2）广角XRD分析：
XRD测试在X'Pert Pro型X射线衍射仪上进行，待测样品制备如下：取实施例1中Co/Mo-MOF材料晶体粉末、Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末置于石英片上方形磨砂凹槽中进行测试。
（3）电化学性能测试：
OER及HER性能测试利用辰华电化学工作站，采用三电极体系进行循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）测试。称取5 mg Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末，加入768 ul去离子水，32 ul nafion和200 ul乙醇，超声分散30 min，取5 ul分散液滴在直径为3 mm的玻碳电极上作为工作电极，碳棒作为对电极，饱和甘汞（SCE）作为参比电极进行测试，电解液体系为1mol/L 的KOH水溶液。
经上述表征和测试，可得出以下结果：
实施例1中所获得的CoMo-MOF材料晶体粉末的SEM图与XRD谱图如图所示，图1（a）展示了CoMo-MOF材料的整体形貌为表面光滑的棒状结构，棒状结构稳定，尺寸均一。图1（b）为CoMo-MOF材料的XRD谱图，表明已成功合成得到CoMo-MOF材料材料。CoMo-MOF材料具有良好的结晶性，结构稳定。图2给出了CoMo-S粉末的SEM图，由图中可以看出，水热硫化后得到的CoMo-S粉末为中空棒状结构，且有纳米片垂直分布在纳米棒表面。
图3（a）给出了实施例1中制备的Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末的SEM图，由图中可以看出经过煅烧后得到的Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末为中空棒状结构，且有Co9S8和MoS2纳米片垂直分布在纳米棒表面。图3（b-c）是Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末的TEM图，由图中可以看出，TEM图中Co9S8/MoS2多级结构复合材料的结构与图3（a）中一致。图4（a）为Co9S8/MoS2多级结构复合材料的广角XRD谱图，由图中可以看出，XRD的衍射峰与PDF#02-1459标准卡片相对应，表明成功合成Co9S8，图4（b）的Raman图中具有明显的MoS2特征峰。
实施例1中所获得的Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末的OER及ORR性能如图5所示，图5（a）是Co9S8/MoS2多级结构复合材料在1 M KOH电解液中的线性极化曲线（LSV），由图中可以看出，在电流密度为达到10 mA·cm-2时，过电势仅为340 mV，具有良好的OER性能。图5（b）为Co9S8/MoS2多级结构的在不同转速下测试的线性极化曲线，由图中可以看出，在1600rpm转速下，Co9S8/MoS2多级结构的起始电位为0.877 V（vs RHE），半波电位为0.71 V （vsRHE），展现出良好的ORR性能。
实施例2
具体步骤与实施例1相同，所不同的是：MoO3用量为0.36g，Co(NO3)2·6H2O用量为6.54g，2-甲基咪唑用量为2.05g，油浴温度为80℃，油浴时长为18h。对Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末进行SEM表征，表征结果显示其为中空棒状结构，且有Co9S8和MoS2纳米片垂直分布在纳米棒表面。
实施例3
具体步骤与实施例1相同，所不同的是：MoO3用量为3.60g，Co(NO3)2·6H2O用量为65.49g，2-甲基咪唑用量为20.53g，油浴温度为180℃，油浴时长为8h。对Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末进行SEM表征，表征结果显示其为中空棒状结构，且有Co9S8和MoS2纳米片垂直分布在纳米棒表面。
实施例4
具体步骤与实施例1相同，所不同的是：称取5mg硫代乙酰胺加入至50mL乙醇中配制为有机溶剂，并将2.5mg的CoMo-MOF材料分散于有机溶剂中配制为分散液，随后对分散液进行100℃水热反应36h。对Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末进行SEM表征，表征结果显示其为中空棒状结构，且有Co9S8和MoS2纳米片垂直分布在纳米棒表面。
实施例5
具体步骤与实施例1相同，所不同的是：称取250mg硫代乙酰胺加入至50mL乙醇中配制为有机溶剂，并将250mg的CoMo-MOF材料分散于有机溶剂中配制为分散液，随后对分散液进行240℃水热反应18h。对Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末进行SEM表征，表征结果显示其为中空棒状结构，且有Co9S8和MoS2纳米片垂直分布在纳米棒表面。
实施例6
具体步骤与实施例1相同，所不同的是：称取5mg硫代乙酰胺加入至50mL乙醇中配制为有机溶剂，并将2.5mg的CoMo-MOF材料分散于有机溶剂中配制为分散液，随后对分散液进行100℃水热反应6h。对Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末进行SEM表征，表征结果显示其为中空棒状结构，且有Co9S8和MoS2纳米片垂直分布在纳米棒表面。
实施例7
具体步骤与实施例1相同，所不同的是：煅烧温度为1000℃，煅烧时长为2h。对Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末进行SEM表征，表征结果显示其为中空棒状结构，且有Co9S8和MoS2纳米片垂直分布在纳米棒表面。
实施例8
具体步骤与实施例1相同，所不同的是：煅烧温度为300℃，煅烧时长为6h。对Co9S8/MoS2多级结构复合材料粉末进行SEM表征，表征结果显示其为中空棒状结构，且有Co9S8和MoS2纳米片垂直分布在纳米棒表面。

Claims (7)

1.一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法，其特征在于，
所述制备方法包括以下制备步骤：
1）将有机配体溶于含有钼和钴的水溶液中，配制为前驱体溶液，随后对前驱体溶液进行油浴加热反应，反应后过滤得到CoMo-MOF材料；
2）将所得CoMo-MOF材料分散于有机溶剂中配制为分散液，随后对分散液进行水热反应，反应后过滤并清洗干燥得到CoMo-S粉末；
3）将CoMo-S粉末置于还原气氛中进行高温煅烧，即制得Co9S8/MoS2多级结构复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法，其特征在于，
步骤1）所述前驱体溶液中钼和钴的总摩尔浓度为0.05～0.5mol/L；
步骤1）所述前驱体溶液中有机配体为2-甲基咪唑，其摩尔浓度为0.05～0.5mol/L。
3.根据权利要求1或2所述的一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法，其特征在于，
步骤1）所述油浴加热反应过程中：油浴反应温度为80～180℃，油浴反应时间为8～18h。
4.根据权利要求1所述的一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法，其特征在于，
步骤2）所述有机溶剂为硫代乙酰胺的乙醇溶液；
所述有机溶剂中硫代乙酰胺浓度为0.1～5.0mg/mL；
步骤2）所述分散液中CoMo-MOF浓度为0.05～5.0mg/mL。
5.根据权利要求4所述的一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法，其特征在于，
所述有机溶剂中硫代乙酰胺浓度为0.8～1.2mg/mL。
6.根据权利要求1或4或5所述的一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法，其特征在于，
步骤2）所述水热反应过程中：水热温度为100～240℃，反应时长为6～36h。
7.根据权利要求1所述的一种Co9S8/MoS2多级结构复合材料的制备方法，其特征在于，
步骤3）所述还原气氛为氢气/氩气混合气氛，混合气氛中氢气含量≥5%VOL；
步骤3）所述高温煅烧过程中，煅烧温度为300～1000℃，煅烧时间为2～6h。
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