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1、第1章MoS2材料的制备及催化性能研究3.1引言本章主要从理论和实验两个方面对MoS2电催化剂进行研究，具体研究内容 如下：(1) 通过基于密度泛函理论的第一性原理对MoS2模型进行计算，探究MoS2 的不同位置对氢原子的结合能力。(2) 通过液相剥离法制备了尺寸不同的MoS2纳米片，详细介绍了其制备工艺, 并对其形貌表征及电化学性能进行分析。(3) 通过水热法制备了花状M0S2纳米材料，介绍了这种材料的制备方法，利 用TEM、XPS等手段对其结构、成分进行分析。利用LSV和CV法对其电化学 性能进行分析。3.2理论模型及计算方法M0S2具有类石墨烯的二维结构，其基本结构层为Mo-S-Mo,层
2、内原子以共 价键相互作用，层之间以较弱的范德华力相互作用。这种特殊结构使M0S2较容 易被剥离，形成少层其至单层的MoS?纳米材料。这种材料在电化学析氢反应中 表现出较好的催化活性，为了研究MoS?催化析氢反应的活性位点。从而制备具 有良好催化性能的催化剂，木课题首先应用了基于密度泛函理论的计算方法，在 Material Studio软件中建立单层M0S2结构模型。3.2.1 Materials Studio 仿真软件介绍Materials Studio为美国Accelrys公司开发的一款软件，在该软件中可以搭建 分子、晶体及高分子材料结构模型，并对这些材料进行相关性质的计算与预测。 被广泛应
3、用于催化剂、化学反应、固体物理等材料领域。Materials Studio软件包含多种算法模块，其中Visualizer为建模模块的核心， 包含如 Castep、DMol Discover、Amporphous、COMPASS 等多个计算和分析 模块。木文主要利用CASTEP模块来完成计算和分析。Castep模块中包含LDA 及GGA两种交换关联函数近似方法，在该模块下通过建立单层M0S2分子模型 计算其对氢原子的吸附能力，从而确定M0S2的电催化析氢反应活性位点。3.2.2模型建立及计算模型为3X3X 1的M0S2超胞模型，如图31。为使计算结果更为准确，在正 式计算之前先对某些参数进行收敛
4、性测试，首先固定k网格点为3X3X1,对平面波截止能量进行收敛性测试，测试范围在280eV至440eV之间。经测试，平 面截止波在320eV时系统总能量最小，也就是说此时系统最稳定。最终选定平 而波截止能量为320eV；在对k网格点进行收敛性测试，使平面波截止能量为 320eV,选取不同的k网格点计算超胞总能量，最终选取3X3X 1的k网格点参 数。收敛性测试后，通过CASTEP软件包进行H洽计算以求解Kohn-Sham方程， 使用广义梯度近似(GGA)法中的PBE泛函对电子间的相互作用进行计算，计算 过程中选取平面波截断能320eV, k网格点为基于Moakhorst Park方案的3X3X
5、 1，自洽收敛精度(SCF)为1.0e-6eV/atom,原子间相互作用收敛判据为不超过 0.05eV/nmo计算中分别在M0S2表面及边缘位置加入氢原子，首先计算MoS2超胞与一 个氢原子的体系能量，在计算MoS2超胞与两个氢原子的体系能量，建立的模型 如图31所示。MoS：超晶胞俯视图MoS：超晶胞侧视图图11MoS2结构模型图在计算过程中首先建立一个简单的只有一个氢气分子的模型，并计算这个系 统的能量，一个氢气分子的能量为31.615eV,未计算M0S2材料的不同位置对于 单个氢原子的吸附能力，建立了如下模型。将3X3X1的超胞在(001)方向切面， 获得M0S2表面位置，将一个氢原子放
6、在表面位置后进行几何优化，参数设置及 计算方法如上文所述。计算得到新的系统(M0S2 + H)的能量为-22473.7666eVo 再向该系统中加入第二个氢原子于MoS?表面，计算的(MoS2 + 2H)系统能量为 -22487.8534eVo 其中 SH 键长为 3.O3OA, Mo-H 键长为 4.943AoMoS2超晶胞俯视图/ 衣）30 /h：O33Mos：超晶胞侧视图图1 -2 MoS?表面加氢原子模型计算釦边缘和硫边缘的氢吸附自由能模型同理，模型如图33所示。在建立 钮边缘加氢原子模型时，以(010)为切面，计算得到(MoS2 + H)的能量为 -22463366eV。向该系统中加
7、入第二个氢原子于M0S2表面，计算的(MoS? + 2H) 系统能量为-22487.8534eVo其中MoH键长为1.698A。在建立硫边缘加氢原子模型时，以(100)为切而，计算得到(MoS2 + H)系统的 能量为-22462.6419eVo再向该系统中加入第二个氢原子于M0S2表而，计算的 (MoS2 + 2H)系统能量为-22478.4032eVo 其中 S-H 键长为 1.757A。IoSi超晶胞俯视图MoS：超晶胞侧视图图1-3MoS2的Mo边缘加氢原子模型图1-4MoS2的S边缘加氢原子模型最终通过如下公式计算MoS?不同位置对于氢原子的吸附自由能：陥=E(MoS2 + 2H)
8、一 EMoS2 + H) -E(H2)(3-1)2经计算得出：MoS2表面的氢吸附自由能为+l.7207eV, MoS2 边缘氢吸附自由 能为-1.0373eV, M0S2硫边缘氢吸附自由能为0.0452eVo表IJM0S2不同位置氢吸附自由能1尹笑)EMoS2 + H)E(MoS2 + 2H) EhMoS2表面15.8075eV-22473.7666eV-22487.8534eV+ 1.7207eVMo边缘位置15.8075eV-22463.1366eV-22479.9814eV-1.0373eVS边缘位置15.8075eV-22462.6419eV-22478.4032eV+0.0462e
9、V由于在电化学反应过程中，电极上需要进行氢的吸附与脱附，且通常具有中 等吸附熔值的催化剂能表现出较高的交换电流密度，因此，氢原子在材料上的吸 附焰越接近零越能说明该位置具有较好的催化析氢反应的性能。通过表中可以看 出，M0S2在硫和钳的边缘催化活性远优于M0S2表面，特别是在硫的边缘位置， 其吸附自由能接近于零。因此可以得出结论，M0S2的边缘位置是催化析氢反应 的活性位点。3.3 M0S2纳米片制备及性能3.3.1 M0S2纳米片制备方法制备MoS?纳米片所用到的药品及实验仪器如表3-2所示表12制备M0S2纳米片的药品及实验仪器名称规格厂家乙醇分析纯天津东丽区天大化学试剂厂异丙醇分析纯天津
10、永大化学试剂有限公司M0S2粉末分析纯国药集团化学试剂有限公司Nafion溶液5%美国杜邦公司去离子水机Milli美国Millipore公司超声清洗器KQ5200DB昆山市超声仪器有限公司离心机H1850R湖南湘仪公司纳米片主要利用超声剥离法制备而成。制作方法如图3-5o这种方法不易受 到周围环境影响，操作简单，适合大批量、规模化生产。本文经多次反复尝试, 制备了大小尺寸的两种M0S2纳米片，具体方法如下：首先取3gMoS2粉末，将 其溶于300ml N-甲基毗咯烷酮(NMP)中，将其放在玻璃小瓶中超声3.5h,保持温 度为20度，将混合溶液转移至离心管中进行首次离心，离心速度为1500rpm
11、, 离心吋间60min,保持温度为10度。保留上方三分之二澄清液，向其中加入乙 醇进行稀释至300ml,其中一半继续以12000rpm 10度的条件离心60min,得 到下方沉淀物即为大尺寸MoS?纳米片。另一半利用超声波破碎仪进行破碎，取 得到溶液上层三分之二，然后在离心机中以12000i*pm离心60min,取上层清液 即为小尺寸M0S2纳米片。整个过程中均需保持较低温度，防止M0S2纳米材料 受温度影响成片效果不好。图15大尺寸M0S2及小尺寸M0S2纳米片制备方法3.3.2 M0S2纳米片物理表征为了对本文中制备的催化剂进行物理表征，测试中使用的材料表征测试仪器 如表3-3,本文中所有
12、样品均大致通过如下检测手段进行分析：表1-3材料表征测试仪器名称规格厂家电化学工作站CHI660D上海辰华仪器有限公司透射电子显微镜(TEM)Tecnai G2F30FEI公司X射线衍射仪(XRD)EmpyreanPanalytical 公司X射线光电子能谱(XPS)K-AlphaThermo Fisher Scientific Company本节通过该透射电子显微镜对MoS?纳米片表面形貌与结构进行表征。不同 尺寸的MoS2纳米片透射电镜图如图36所示，从图中可以看岀，大尺寸M0S2 纳米片尺寸大约在150nm左右，小尺寸MoS2纳米片尺寸大约在20nm左右。且 两种纳米片均呈现半透明亮色薄
13、层状态，说明MoS?纳米片片层数较少，剥离效 果好。图1-6大尺寸M0S2纳米片及小尺寸M0S2纳米片TEM图图3-7为高倍透射电子显微镜下的MoS?纳米片结构形态。仔细观察可以看 到照片中存在两种品面结构，部分品格结构成六边形蜂窝状，其晶面间距大概在0.27nm左右,代表了 MoS2的(100)和(010)晶面。左下角的黑色线条代表MoS2片层边缘的002晶向，层间距晶格间距大约在0.7nm左右，比理论上MoS2层间距0.62nm大，代表了 MoS?层间被剥离，形成少层其至单层的MoS?纳米片。Device Mngni f icat ion Accel enit ing Voltage.K0
14、0000 x .200 kV5 nr图17MoS2纳米花HRTEM3.3.3 M0S2纳米片电化学析氢活性图3-8和图3-9为将两种尺寸的纳米片涂抹到电极上测得的线性扫描伏安曲 线图，并以商用Pt/C为对照。这种方法是在三电极系统中，将线性电位扫描施 加于工作电极和参比电极之间，测量工作电极和参比电极间流过的电流，从而得 到电化学反应活化区的极化曲线。测量Tafel曲线时，取其线性阶段进行分析， 及在平衡电势开始测量。经数据处理后可获得Tafel斜率这一衡量催化剂作用下 电化学反应发生难易程度的量。Tafel公式：V = a + blgj(3-2)式中，Tafel斜率5=嚟 pF电化学测试在三
15、电极电解池体系中进行，使用0.5M的硫酸溶液作为电解液, 其中工作电极使用涂有催化剂的旋转圆盘电极，直径为5mm,转速为1600rpmo 测试时将取5pl lmg/ml的催化剂溶液，均匀涂抹在玻璃碳电极上，以钳为辅助 电极，参比电极使用汞硫酸亚汞电极。以标准氢标电极的电极电势为标准，可 测得该参比电极的电势为0.616V,使用时设定扫描速率为5mV/s,扫描范围为 -0.14-1.02Vo电化学测试开始之前需向电解池中连续通入30min氮气，以排除 溶解在电解液中的氧气的干扰。图3-8为不同尺寸的二硫化铝纳米片的极化曲线。其中MoS2 NS(1)为大尺寸 MoS2纳米片，MoS2 NS为小尺寸MoS2纳米片。由图3-8 of以明显地看出小尺 寸M0S2纳米片的催化析氢性能明显优于大尺寸M0S2纳米片。从图39中可以 看出，犬尺寸纳米片的活性较差，其Tafel斜率为108mV/decade,小尺寸纳米片 活性较好，仅为67mV/decadeo大尺寸M0S2纳米片的过电位在0.33V左右，小 尺寸MoS2纳米片过电位在0.17V左右。这两种材料涂抹在电极上的质量均相同,
