石墨烯基纳米硫化钼复合气凝胶构筑及其吸附与析氢性能研究

发布时间：2020-08-12 04:19

【摘要】：石墨烯气凝胶作为极具吸引力的三维石墨烯类衍生纳米材料,兼具二维石墨烯与气凝胶的结构与性能,因此在能量储存、环境修复、柔性器件及光电化学等领域有着广泛的应用前景。另一方面,二硫化钼(MoS_2),具有类石墨烯的二维层片结构且表现出与石墨烯材料相似的理化性质。同时,作为典型的过渡族金属硫系半导体,同样也吸引了人们的广泛关注。近年来,纳米MoS_2和三维多孔石墨烯气凝胶的组合作为一种高性能的环保型纳米复合材料,并在环境保护及绿色能源领域得到很好的应用。本文通过简便的一步水热法在还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶上原位合成了具有1T/2H复合相、分布均匀的MoS_2纳米花。对其宏观形貌、微观结构进行全面表征分析,并对其吸附和电催化性能进行了系统研究。具体研究内容如下:(1)采用一步水热的方法,通过氨水(NH_3·H_2O)的调节辅助作用,在氧化石墨烯的表面官能团处原位合成MoS_2/rGO复合气凝胶。并探究了水热温度、氧化石墨烯的掺杂量、前躯体及氨水等合成参数对复合气凝胶结构及形貌的影响。该复合气凝胶结构有效的抑制了MoS_2与石墨烯的团聚与堆叠,优化了其形貌与结构。实验结果表明,氧化石墨烯的加入量为10 wt%,水热温度为180℃条件下制备得到的MoS_2/rGO-10复合气凝胶形貌与结构达到极大提升。其中,MoS_2为平均直径约为300 nm的富层片花球结构,具有单层或少层纳米结构并实现1T晶型转化,均一分散在石墨烯层片上并通过C-O-Mo键结合。(2)MoS_2/rGO复合气凝胶,显著优化了MoS_2与石墨烯纳米结构。优化后的MoS_2/rGO复合气凝胶具有较好的分散性及稳定性,显示出优异的吸附性能。以200 mg/L高浓度的亚甲基蓝水溶液作为目标有机染料,对复合气凝胶的有机物吸附性能做了详细的探究。吸附实验结果显示,MoS_2/rGO-10复合气凝胶的吸附量可以达到280 mg/g,相比单纯MoS_2吸附量189 mg/g有着明显的提高。(3)在MoS_2/rGO复合气凝胶结构中,rGO气凝胶作为MoS_2的支撑载体,高度单一分散的1T/2H MoS_2纳米花与rGO纳米层片紧密连接。这种优异的异质结构使得复合气凝胶具有极高的活性面积、缺陷结构、丰富的活性位点密度、高导电性及结构稳定性。作为活性位点,本文制备的独特的3D MoS_2/rGO多孔气凝胶作为HER电催化剂,Tafel斜率最低可达到40 mV/decade,起始电位130 mV,在η=300 mV时,电流密度可以达到268.5 mA/cm~2,双电层电容量高达208 mF/cm~2且经过1000次循环后未见明显活性衰弱,表明其稳定的电催化析氢的性能。本论文为设计高效的稳定的非贵金属杂化催化剂用于电催化析氢提供新的思路。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ427.26;TQ424;TQ116.2
【图文】：

石墨,结构示意图,气凝胶

为了进一步探索石墨烯材料的各种宏观应用，一个重要的研究能团及属性进行大规模的气凝胶结构组装，进一步将二维石墨三维（3D）气凝胶结构中得到石墨烯气凝胶。表 1-1 石墨烯气凝胶性质Table 1-1 The properties of graphene aerogel密度压缩变形量导电率热导率<10 mg/cm3>90% 10 S/cm 0.01 W /(mK)气凝胶作为石墨烯衍生类三维纳米材料，具备石墨烯的优异性性能[35,36]。三维的石墨烯气凝胶结构能充分发挥其优异性能，导电率、导热导率及可循环使用性等，因此石墨烯气凝胶与石用前景。这种三维石墨烯类功能材料在科学和工程领域有着广、能力存储及转化、吸附和电化学催化等,被认为是在清洁能用前景的材料[37-41]。

示意图,气凝胶,石墨,法制

第一章绪论凝胶孔洞结构。该方法是在溶液中以有机或无机分子模板为自组装基底。合成过氢键、离子键和范德华力等作用力，对初始材料进行介导，从而在基底模板宏观规则的孔洞结构的气凝胶结构，后通过去酸化或氧化除去基底模板得到单烯气凝胶。该方法制备的气凝胶具有形状规则且可控的多孔结构。Choi 等[1]用分子胶体粒子聚苯乙烯（PS）作为牺牲模板，通过调节石墨烯与聚苯乙烯颗粒液的 pH，利用静电作用实现模板组装。后去除聚苯乙烯颗粒制备得到大孔的烯气凝胶，后对其进行其他材料的负载。其示意图如图 1-2。

示意图,二硫化钼,晶体结构,示意图

第一章绪论化。天然的 MoS2通常为 2H 相，表现为半导体性质。而经过诱导 MoS2可实现从 2H 1T 相变转化，使其具备金属的性质[56]。目前研究已经表明，单层或少层的 MoS2的 2H/1相可以实现较高的平面内的电子迁移率，显著的机械和光学性能，在染料吸附和催化氢等领域表现出优异的性能[57-59]。然而，MoS2只有层片边缘具有活性，内部为惰性面。另一方面，二维的结构属性使得其在应用过程中极易发生团聚与堆叠。这些因素很大程度上使得 MoS2的优异性能大打折扣。经过不断的探究发现主要分为两种解决式：一种是通过改变形貌来增加活性位点，主要有掺杂（阴离子或阳离子），控制结晶和无定形性等方法。另一个重要方面是与碳基高导电材料复合来提高其导电性及结构定性。

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