CN112844421A - 一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法 - Google Patents
一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112844421A CN112844421A CN202110062563.3A CN202110062563A CN112844421A CN 112844421 A CN112844421 A CN 112844421A CN 202110062563 A CN202110062563 A CN 202110062563A CN 112844421 A CN112844421 A CN 112844421A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mos
- plasma
- electrocatalytic
- photoelectrocatalytic
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 70
- 229910052961 molybdenite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 69
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 18
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 15
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 12
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 12
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 claims description 3
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 3
- XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N Fluoroform Chemical compound FC(F)F XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- RWRIWBAIICGTTQ-UHFFFAOYSA-N difluoromethane Chemical compound FCF RWRIWBAIICGTTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N fluoromethane Chemical compound FC NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 15
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical class [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 abstract description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract 1
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 48
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 10
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N thiourea Chemical compound NC(N)=S UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 5
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Natural products NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 description 3
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 2
- 239000011865 Pt-based catalyst Substances 0.000 description 2
- 239000012378 ammonium molybdate tetrahydrate Substances 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- FIXLYHHVMHXSCP-UHFFFAOYSA-H azane;dihydroxy(dioxo)molybdenum;trioxomolybdenum;tetrahydrate Chemical compound N.N.N.N.N.N.O.O.O.O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O[Mo](O)(=O)=O.O[Mo](O)(=O)=O.O[Mo](O)(=O)=O FIXLYHHVMHXSCP-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 2
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- DIGQNXIGRZPYDK-WKSCXVIASA-N (2R)-6-amino-2-[[2-[[(2S)-2-[[2-[[(2R)-2-[[(2S)-2-[[(2R,3S)-2-[[2-[[(2S)-2-[[2-[[(2S)-2-[[(2S)-2-[[(2R)-2-[[(2S,3S)-2-[[(2R)-2-[[(2S)-2-[[(2S)-2-[[(2S)-2-[[2-[[(2S)-2-[[(2R)-2-[[2-[[2-[[2-[(2-amino-1-hydroxyethylidene)amino]-3-carboxy-1-hydroxypropylidene]amino]-1-hydroxy-3-sulfanylpropylidene]amino]-1-hydroxyethylidene]amino]-1-hydroxy-3-sulfanylpropylidene]amino]-1,3-dihydroxypropylidene]amino]-1-hydroxyethylidene]amino]-1-hydroxypropylidene]amino]-1,3-dihydroxypropylidene]amino]-1,3-dihydroxypropylidene]amino]-1-hydroxy-3-sulfanylpropylidene]amino]-1,3-dihydroxybutylidene]amino]-1-hydroxy-3-sulfanylpropylidene]amino]-1-hydroxypropylidene]amino]-1,3-dihydroxypropylidene]amino]-1-hydroxyethylidene]amino]-1,5-dihydroxy-5-iminopentylidene]amino]-1-hydroxy-3-sulfanylpropylidene]amino]-1,3-dihydroxybutylidene]amino]-1-hydroxy-3-sulfanylpropylidene]amino]-1,3-dihydroxypropylidene]amino]-1-hydroxyethylidene]amino]-1-hydroxy-3-sulfanylpropylidene]amino]-1-hydroxyethylidene]amino]hexanoic acid Chemical compound C[C@@H]([C@@H](C(=N[C@@H](CS)C(=N[C@@H](C)C(=N[C@@H](CO)C(=NCC(=N[C@@H](CCC(=N)O)C(=NC(CS)C(=N[C@H]([C@H](C)O)C(=N[C@H](CS)C(=N[C@H](CO)C(=NCC(=N[C@H](CS)C(=NCC(=N[C@H](CCCCN)C(=O)O)O)O)O)O)O)O)O)O)O)O)O)O)O)N=C([C@H](CS)N=C([C@H](CO)N=C([C@H](CO)N=C([C@H](C)N=C(CN=C([C@H](CO)N=C([C@H](CS)N=C(CN=C(C(CS)N=C(C(CC(=O)O)N=C(CN)O)O)O)O)O)O)O)O)O)O)O)O DIGQNXIGRZPYDK-WKSCXVIASA-N 0.000 description 1
- 102000003792 Metallothionein Human genes 0.000 description 1
- 108090000157 Metallothionein Proteins 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910001867 inorganic solvent Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003049 inorganic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 1
- -1 on the one hand Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- CCEKAJIANROZEO-UHFFFAOYSA-N sulfluramid Chemical group CCNS(=O)(=O)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)F CCEKAJIANROZEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
- B01J27/02—Sulfur, selenium or tellurium; Compounds thereof
- B01J27/04—Sulfides
- B01J27/047—Sulfides with chromium, molybdenum, tungsten or polonium
- B01J27/051—Molybdenum
-
- B01J35/39—
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明公开了一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备MoS2电催化和/或光电催化剂作为前驱体；(2)制备接收MoS2催化剂反应信号的电极；(3)利用含C和F的等离子体对已经修饰在电极上的MoS2催化剂进行改性。本发明显著提升了MoS2的电催化和/或光电催化性能。该实验方法不仅简便、清洁，而且具有一定的普适性，可以应用于掺杂改性锂离子插层MoS2、水热合成MoS2、机械剥离2D MoS2、化学气相沉积2D MoS2等多种MoS2电催化剂和/或光电催化剂，并且均实现了电催化和/或光电催化性能的显著提升，对plasma增强HER、OER、ORR等电化学和/或光电化学反应催化性能具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及电催化和/或光电化学催化材料领域，具体涉及一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法。
背景技术
能源是工业革命的驱动力，是不可或缺的战略资源。在可再生能源的大家族中，氢能具有燃烧热值高、燃烧产物H2O可循环利用等优点。电解水产氢是目前最有前景的生产氢气有效途径之一，可以实现同时分别在阴极产生H2、阳极产生O2。然而由于较高的反应能垒和反应阻碍，在实际的电催化测试体系中需要施加的电压要大于理论反应电压，因此引入高催化活性、高稳定性、价格低廉、来源广泛的催化剂可以显著降低反应活化能，提高反应效率，是实现高效电解水的关键因素。
Pt、Ru基贵金属基催化剂是目前性能最好的电催化析氢(HER)、析氧反应(OER)、氧还原(ORR)催化剂，但由于价格昂贵、储量稀少，在工业生产中不能得到大规模应用。
在火山图中，MoS2在所有非贵金属基催化剂中氢吸附吉布斯自由能ΔGH最接近0、也最接近Pt基催化剂，即在非贵金属催化剂中MoS2交换电流密度最大，催化性能最好，因此，理论上有望取代Pt基催化剂。并且，MoS2是一种具有特殊能带结构的半导体，单层MoS2是带隙为1.8eV的直接带隙半导体，非单层和块体MoS2为1.29eV的间接带隙半导体，当入射光的光子能量高于MoS2吸收阈值时，MoS2价电子发生跃迁，从价带跃迁到导带，从而产生空穴和电子，空穴吸附电极表面的氢氧根等负电中心物质，继而发生光电催化OER反应。
但是,在电催化HER和光电催化OER应用中，MoS2边缘活性位点有限、光生载流子容易复合，极大限制了其的推广与应用。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，为原位改性催化剂的催化性能提供一种干净、简便、快速和可控的研究策略，避免了液相体系中的化学修饰方法带来的有机、无机溶剂污染，进而避免了由于污染对电极-电解液界面双电层、电催化和/或光电催化性能的影响。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案:
一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，包括如下步骤：
(1)制备MoS2电催化和/或光电催化剂作为前驱体；
(2)制备接收MoS2反应信号的电极；
(3)利用含C和F的等离子体对已经修饰在电极上的MoS2催化剂进行改性。
优选地，等离子体刻蚀时间为10-600s。等离子体刻蚀时间不宜过长或过短，等离子体处理时间大于600s会导致催化剂严重脱落，小于10s会导致催化剂的掺杂程度过低，未能达到最高活性。
在优选的实施例中，所述的含C和F的等离子体包括CHF3、CH2F2、CH3F、CF4、C3F8、C4F8中的至少一种。
在优选的实施例中，等离子体设备的种类包括射频等离子体、辉光等离子体、电晕等离子体、微波等离子体、DBD等离子体。
在优选的实施例中，等离子体上极板功率为5-100W；等离子体下极板功率为1-50W。
在优选的实施例中，等离子体气体流量为10-100sccm。
在优选的实施例中，等离子体工作时的腔体压力为1-20Pa。
在优选的实施例中，前驱体MoS2包含锂离子插层MoS2、水热合成MoS2、机械剥离2DMoS2、化学气相沉积2D MoS2在内的MoS2电催化和/或光电催化剂中的至少一种。
在优选的实施例中，接收MoS2光催化和/或电反应信号的电极包含亲水碳布、O2-等离子体处理的疏水碳布、泡沫镍、泡沫铜、电子束蒸镀或者热蒸镀的纯金属电极、ITO透明导电玻璃、FTO透明导电玻璃等。
在优选的实施例中，还包括步骤(4)对等离子体-MoS2进行包括HER、OER在内的电化学和/或光电化学测试。
本发明的有益效果：
本发明使用含C和F的等离子体对已经修饰在电极上的MoS2电催化剂和/或光电催化剂进行改性，含C和F的等离子体例如CHF3在半导体工业上广泛用于Si基底刻蚀，但并没有人提出将其用于改性MoS2催化剂，因此采取的CHF3气体在内的含C和F的等离子体作为等离子体气体源的方法非常新颖。
含C和F的等离子体修饰MoS2电催化剂和/或光电催化剂的优势在于：CHF3气体既可以通过刻蚀作用增加MoS2高催化活性边缘位点数目，而且可以通过F元素掺杂MoS2提升催化性能，还可以通过C元素在MoS2外层形成碳层，增强稳定性。因此，本发明方法得到的MoS2催化剂同时具备优异的电催化和/或光电催化活性和稳定性。
本发明利用含C和F的等离子体中的处于激发态的原子、离子、活性自由基等活性物质与材料表面反应，对材料进行掺杂与功能化，以实现电催化和/或光电催化活性的提升。相比本征MoS2，利用本方法利用等离子体技术改性多种类型的MoS2电催化和/或光电催化剂，得到的等离子体-MoS2表现出更高的电流密度；等离子体-MoS2具有更小的Tafel曲线斜率，显著提升了反应的动力学；等离子体-MoS2成功降低了反应的过电位，大大降低了反应需要克服的势垒。
本发明的操作更加简单易行，且可控性、可重复性高，可以简便高效地直接利用激发态的离子、原子、自由基等气相活性物质实现对MoS2的表面修饰。相比于其他修饰材料表面的化学方法，等离子体方法不仅具有简便、干净、高选择性的优点，而且可以通过改变气体种类、压力、ICP功率、RF功率、时间等参数非常容易且高效地改变反应条件。并且，本发明具有一定程度的普适性，应用于锂离子插层法、水热合成法机械剥离法、化学气相沉积法等多种形式的MoS2电催化剂和/或光电催化剂的表面修饰和改性，均实现了性能的显著提升。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1：实施例1(a-b)原始MoS2；(c-d)等离子体-MoS2的SEM图
图2：实施例1原始MoS2与等离子体-MoS2的LSV测试结果对比
图3：实施例1原始MoS2与等离子体-MoS2的10mA/cm2的过电位对比
图4：实施例1原始MoS2与等离子体-MoS2的Tafel plot对比；
图5：实施例1原始MoS2与等离子体-MoS2的EIS交流阻抗谱(-0.3V vs RHE下测试)
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于下述实施例，应当理解，所附权利要求概括了本发明的范围，在本发明构思的引导下本领域的技术人员应意识到，对本发明的各实施例所进行的一定的改变，都将被本发明的权利要求书的精神和范围所覆盖。
实施例1：利用等离子体改性锂离子插层法MoS2的HER催化性能
第一步，制备MoS2电催化剂分散液：将3mL 2mg/mL MoS2水溶液加入1800μL无水乙醇、200μL Nafion，超声分散30min。第二步，制备负载MoS2催化剂的工作电极：将亲水碳布裁剪成1cm*2cm，先后利用水、IPA、无水乙醇清洗，烘干待用。取100uL的分散液均匀滴涂在碳布上，60℃烘干溶液，重复一次。加热3h以增强催化剂与基底的结合，减少在等离子体处理过程中催化剂的脱落，负载量为0.05mg/cm2。第三步，利用等离子体技术对MoS2 HER催化剂进行表面处理：将碳布固定在粘有导热硅胶的Cu箔上，Cu箔作为载体协助碳布站立在等离子体腔体里实现等离子体的竖直刻蚀，避免水平方向上催化剂受等离子体轰击过强导致的催化剂脱落现象，上极板ICP的功率分别为100W，下极板RF的功率为50W，腔体压力为10Pa，气体CHF3流量为80sccm，刻蚀时间为30s,等离子体刻蚀时间不宜过长或过短，等离子体处理时间过长会导致催化剂严重脱落，过短会导致催化剂的掺杂程度过低，未能达到最高活性。
第四步，对等离子体-MoS2进行HER测试：采取经典三电极电化学体系，以Pt电极夹固定住碳布作为工作电极，碳棒为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极进行HER测试，电解液为0.5M H2SO4。
本实施例的各项结果见图1至图5。
实施例2：利用等离子体改性水热合成法MoS2的HER催化性能
第一步，通过水热法在碳布上均匀生长MoS2微米片：将0.3g四水合钼酸铵和0.3g硫脲分别作为Mo源与S源，均匀分散于20mL超纯水中，超声分散10min。第二步，O2-等离子体处理生长基底，制备负载MoS2催化剂的工作电极：将亲水碳布裁剪成1cm*2cm，先后利用水、IPA、无水乙醇清洗，烘干待用。利用O2-等离子体处理碳布正反表面，一方面引入含氧官能团、进一步增强碳布的亲水性，另一方面带负电的含氧官能团有利于吸附相对正电性的硫脲中心碳原子，使得MoS2的生长更加均匀。O2-等离子体功率为50W,时间在60s,腔体压力为100Pa，处理以后迅速将碳布放入第一步的溶液里，超声30-60min。然后放入100mL反应釜内胆，180℃，反应18h。即可得到均匀包覆在碳布纤维上的二硫化钼微米片。第三步，利用等离子体技术对MoS2 HER催化剂进行表面处理：将碳布固定在粘有导热硅胶的Cu箔上，Cu箔作为载体协助碳布站立在等离子体腔体里实现等离子体的竖直刻蚀，避免水平方向上催化剂受等离子体轰击过强导致的催化剂脱落现象，上极板ICP的功率分别为100W，下极板RF的功率为50W，腔体压力为10Pa，气体CHF3流量为80sccm，刻蚀时间为30s。第四步，对等离子体-MoS2进行HER测试：采取经典三电极电化学体系，以Pt电极夹固定住碳布作为工作电极，碳棒为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极进行HER测试，电解液为0.5M H2SO4。与实施例1类似，本实施例也通过CHF3--等离子体实现了MoS2 HER催化性能的显著提升，电流密度提升了2倍。
实施例3：利用等离子体改性机械剥离法2D MoS2的HER催化性能
第一步，利用Scotch胶带在SiO2基底上剥离得到长度和宽度分别约为50微米，50微米的2D MoS2。第二步，将2D MoS2与金属电极连接，金属电极作为接收2D MoS2 HER催化剂的电化学反应信号。第三步，利用等离子体技术对2D MoS2 HER催化剂进行表面处理：将2DMoS2-SiO2水平放入等离子体腔体，等离子体上极板ICP的功率分别为100W，下极板RF的功率为50W，腔体压力为10Pa，气体CHF3流量为80sccm，刻蚀时间为30s。第四步，等离子体-MoS2进行HER测试：采取三电极电化学体系，以连接着2D MoS2的金属电极作为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极进行HER测试，电解液为0.5M H2SO4。与实施例1、2类似，本实施例也通过CHF3-等离子体实现了2D MoS2 HER催化性能的显著提升，电流密度提升了4.5倍。
实施例4：利用等离子体改性化学气相沉积2D MoS2的HER催化性能
第一步，以Mo箔和S为原料通过化学气相沉积生长得到大面积2D MoS2。第二步，将2D MoS2与金属电极连接，金属电极作为接收2D MoS2 HER催化剂的电化学反应信号。第三步，利用等离子体技术对2D MoS2 HER催化剂进行表面处理：将2D MoS2-SiO2水平放入等离子体腔体，等离子体上极板ICP的功率分别为100W，下极板RF的功率为50W，腔体压力为10Pa，气体CHF3流量为80sccm，刻蚀时间为30s。第四步，等离子体-MoS2进行HER测试：采取三电极电化学体系，以连接着2D MoS2的金属电极作为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极进行HER测试，电解液为0.5M H2SO4。与实施例1、2、3类似，本实施例也通过CHF3-等离子体实现了2D MoS2 HER催化性能的显著提升，电流密度提升了3倍。
实施例5：利用等离子体改性水热合成MoS2的OER光电催化性能
第一步，通过水热法合成MoS2微米片：将0.3g四水合钼酸铵和0.3g硫脲分别作为Mo源与S源，均匀分散于20mL超纯水中，超声分散10min。然后放入100mL反应釜内胆，180℃，反应18h。即可得到大小分布均匀的MoS2微米球。然后配置10mg/mL MoS2催化剂分散液，其中加入20mg MoS2催化剂、1mL去离子水、1800μL无水乙醇、200μL Nafion，超声分散30min。第二步，O2-等离子体处理FTO导电透明玻璃，制备负载MoS2催化剂的透明工作电极：将FTO导电透明玻璃用金刚石刻刀分割为1cm*2cm，先后利用水、IPA、无水乙醇清洗，烘干待用。利用O2-等离子体处理竖直站立FTO导电透明玻璃表面，一方面引入含氧官能团、进一步增强FTO导电玻璃的亲水性能，另一方面有利于催化剂分散液与FTO的紧密接触，减小界面接触电阻及在后续plasma处理过程中MoS2催化剂脱落。O2-等离子体功率为50W,时间在60s,腔体压力为100Pa。滴涂50μLMoS2催化剂分散液在FTO导电玻璃的表面，60℃加热5h使溶剂挥发、增强接触。第三步，利用等离子体技术对MoS2 OER光电催化剂进行表面处理：将FTO导电透明玻璃固定站立在等离子体腔体里实现等离子体的竖直刻蚀，避免水平方向上催化剂受等离子体轰击过强导致的催化剂脱落现象，上极板ICP的功率分别为20W，下极板RF的功率为5W，腔体压力为10Pa，气体CHF3流量为35sccm，刻蚀时间为30s。第四步，对等离子体-MoS2进行OER光电催化测试：采取经典三电极电化学体系，以Pt电极夹固定住FTO导电透明玻璃作为工作电极，为Pt片对电极，HgO电极为参比电极，在特制的光电催化反应池中进行OER光电催化测试，使模拟太阳光垂直照射在FTO导电透明玻璃上，模拟太阳光功率为100mW cm-2，电解液为0.1M NaOH。与实施例1、2、3、4类似，本实施例也通过CHF3-等离子体实现了MoS2 OER光电催化性能的显著提升，开光电流增大了12.3倍。
Claims (10)
1.一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备MoS2电催化和/或光电催化剂作为前驱体；
(2)制备接收MoS2反应信号的电极；
(3)利用含C和F的等离子体对已经修饰在电极上的MoS2催化剂进行改性。
2.根据权利要求1所述的一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于：所述的含C和F的等离子体包括CHF3、CH2F2、CH3F、CF4、C3F8、C4F8中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于：等离子体刻蚀时间为10-600s。
4.根据权利要求1所述的一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于：等离子体设备的种类包括射频等离子体、辉光等离子体、电晕等离子体、微波等离子体、DBD等离子体中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于：等离子体上极板功率为5-100W；等离子体下极板功率为1-50W。
6.根据权利要求1所述的一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于：等离子体气体流量为10-100sccm。
7.根据权利要求1所述的一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于：等离子体工作时的腔体压力为1-20Pa。
8.根据权利要求1所述的一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于：前驱体MoS2包含锂离子插层MoS2、水热合成MoS2、机械剥离2D MoS2、化学气相沉积2D MoS2在内的MoS2电催化和/或光电催化剂中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于：接收MoS2反应信号的电极包含亲水碳布、O2等离子体处理的疏水碳布、泡沫镍、泡沫铜、电子束蒸镀或者热蒸镀的纯金属电极、ITO导电透明玻璃、FTO导电透明玻璃中的至少一种。
10.根据权利要求1至9任一项所述的一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法，其特征在于：还包括步骤(4)对等离子体-MoS2进行包括HER、OER在内的电催化和/或光电催化测试。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110062563.3A CN112844421B (zh) | 2021-01-18 | 2021-01-18 | 一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110062563.3A CN112844421B (zh) | 2021-01-18 | 2021-01-18 | 一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112844421A true CN112844421A (zh) | 2021-05-28 |
| CN112844421B CN112844421B (zh) | 2022-06-14 |
Family
ID=76006483
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110062563.3A Active CN112844421B (zh) | 2021-01-18 | 2021-01-18 | 一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112844421B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114086207A (zh) * | 2021-09-28 | 2022-02-25 | 中南大学 | 一种通过调控膜电极表面亲疏水性提高催化电流密度的方法 |
| CN114369848A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-04-19 | 苏州阳池科技有限公司 | 一种杂原子掺杂二硫化钼纳米复合材料的制备及其应用 |
| CN114703497A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-07-05 | 中南大学 | 用于光辅助电催化分解水产氢的等离子体催化剂及制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100304172A1 (en) * | 2009-06-02 | 2010-12-02 | Integran Technologies, Inc. | Electrodeposited metallic-materials comprising cobalt |
| CN106129112A (zh) * | 2016-07-04 | 2016-11-16 | 华为技术有限公司 | 一种基于二维半导体的电子器件及其制造方法 |
| CN107059051A (zh) * | 2017-02-13 | 2017-08-18 | 中国科学院物理研究所 | 包括金属相二硫化钼层的析氢催化电极及其制备方法 |
| CN108404938A (zh) * | 2018-04-05 | 2018-08-17 | 哈尔滨工业大学 | 一种电催化析氢MoS2纳米花球催化剂及其制备方法 |
| CN108855166A (zh) * | 2018-06-20 | 2018-11-23 | 郑州轻工业学院 | 一种负载型催化剂及其制备方法、应用 |
| CN110267913A (zh) * | 2017-02-10 | 2019-09-20 | 北德克萨斯大学 | 通过用于可再充电电池的二维材料的锂金属的钝化 |
-
2021
- 2021-01-18 CN CN202110062563.3A patent/CN112844421B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100304172A1 (en) * | 2009-06-02 | 2010-12-02 | Integran Technologies, Inc. | Electrodeposited metallic-materials comprising cobalt |
| CN106129112A (zh) * | 2016-07-04 | 2016-11-16 | 华为技术有限公司 | 一种基于二维半导体的电子器件及其制造方法 |
| CN110267913A (zh) * | 2017-02-10 | 2019-09-20 | 北德克萨斯大学 | 通过用于可再充电电池的二维材料的锂金属的钝化 |
| CN107059051A (zh) * | 2017-02-13 | 2017-08-18 | 中国科学院物理研究所 | 包括金属相二硫化钼层的析氢催化电极及其制备方法 |
| CN108404938A (zh) * | 2018-04-05 | 2018-08-17 | 哈尔滨工业大学 | 一种电催化析氢MoS2纳米花球催化剂及其制备方法 |
| CN108855166A (zh) * | 2018-06-20 | 2018-11-23 | 郑州轻工业学院 | 一种负载型催化剂及其制备方法、应用 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ZHIJUAN LIU ET.AL: ""Modulating the electronic structure of ultrathin layered double hydroxide nanosheets with fluorine:an efficient electrocatalyst for the oxygenevolution reaction"", 《J. MATER. CHEM. A》 * |
| 张浩翔等: ""水热法合成纳米二硫化钼及其电催化性析氢性能研究"", 《功能材料》 * |
| 郑波等: "MoS_2协同过渡金属Co增强催化产氢性能", 《中国材料进展》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114086207A (zh) * | 2021-09-28 | 2022-02-25 | 中南大学 | 一种通过调控膜电极表面亲疏水性提高催化电流密度的方法 |
| CN114369848A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-04-19 | 苏州阳池科技有限公司 | 一种杂原子掺杂二硫化钼纳米复合材料的制备及其应用 |
| CN114703497A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-07-05 | 中南大学 | 用于光辅助电催化分解水产氢的等离子体催化剂及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112844421B (zh) | 2022-06-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112844421B (zh) | 一种利用等离子体增强MoS2电催化和/或光电催化性能的方法 | |
| Tan et al. | Restructuring of Cu2O to Cu2O@ Cu-metal–organic frameworks for selective electrochemical reduction of CO2 | |
| WO2022041852A1 (zh) | 一种在泡沫镍表面原位生长Ni-MOF薄膜光催化剂及其制备方法和应用 | |
| US9748581B2 (en) | Functionalized graphene-Pt composites for fuel cells and photoelectrochemical cells | |
| CN107574456B (zh) | 一种超薄二硫化钼纳米片/硅纳米线异质结结构的制备方法 | |
| CN112768710B (zh) | 燃料电池的纳米蓝钻催化剂及制备方法和燃料电池 | |
| CN112768709A (zh) | 燃料电池的纳米蓝钻颗粒催化剂及制备方法和燃料电池 | |
| Yuan et al. | Photoelectrocatalytic reduction of carbon dioxide to methanol at cuprous oxide foam cathode | |
| CN113522327A (zh) | 三元复合光催化剂、其制备方法及其应用 | |
| CN111346642A (zh) | 高分散金属纳米颗粒/生物质碳复合电极材料及其制备方法与应用 | |
| Hu et al. | Enhanced electrocatalytic ethanol oxidation reaction in alkaline media over Pt on a 2D BiVO 4-modified electrode under visible light irradiation | |
| CN112768711A (zh) | 燃料电池的表面改性蓝钻催化剂及制备方法和燃料电池 | |
| Xiao et al. | Constructing Pd-N interactions in Pd/gC 3 N 4 to improve the charge dynamics for efficient photocatalytic hydrogen evolution | |
| Liu et al. | Ultrafast fabrication of nanostructure WO3 photoanodes by hybrid microwave annealing with enhanced photoelectrochemical and photoelectrocatalytic activities | |
| Choi et al. | Enhanced photoelectrochemical efficiency and stability using nitrogen-doped TiO2 on a GaAs photoanode | |
| Li et al. | Cathodic corrosion as a facile and universal method for the preparation of supported metal single atoms | |
| Priya et al. | Construction of MoS2 nanoparticles incorporated TiO2 nanosheets heterojunction photocatalyst for enhanced visible light driven hydrogen production | |
| Liu et al. | Enhanced OER Performance and Dynamic Transition of Surface Reconstruction in LaNiO3 Thin Films with Nanoparticles Decoration | |
| CN113235108B (zh) | 一种MXene负载贵金属团簇催化剂及其制备方法和应用 | |
| CN116445971B (zh) | 一种泡沫镍上自衍生含有活性镍和氢氧化镍纳米棒的制备方法和应用 | |
| CN108993469B (zh) | 一种ZnO量子点TiO2纳米片复合结构及其制备方法 | |
| CN108246287B (zh) | 双量子点修饰花状三维石墨烯的制备方法及光催化材料 | |
| CN112850860B (zh) | 一种氮掺杂有序介孔碳电极的制备方法及应用 | |
| Zhang et al. | Vapor ammonization strategy towards surface-reconstructed and N-modified three-dimensional Cu foam electrocatalyst for efficient alkaline hydrogen production | |
| CN111155145B (zh) | 一种具有超浸润性的双功能电解水电极及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |