技术领域
[0001] 本
发明涉及材料制备技术领域，更具体地说，本发明涉及一种负载二维材料的自支撑多孔碳电极的制备方法。
背景技术
[0002] 化石
燃料的大规模开发和应用使得社会的发展以及人类的进步提供了源源不断的动
力，同时，人类社会面临着巨大的环境污染压力以及
能源枯竭的历史性难题。氢能，作为一种无二
氧化碳等污染副产物产出的清洁新能源，成为解决这一难题的重要研究对象。近来，催化分解
水技术逐渐成为氢气来源的一条重要途径，而产氢电极的研究是催化分解水技术中的非常重要一环。
[0003] 树木在生活中无处不在，根据不同生长环境，其内部拥有不同天然的多孔结构，可作为一种天然的
生物质材料。以其为原料所制备的产品具有无污染、资源广、可降解、可再生等特点，通过特定的手段通入惰性气体，进行碳化处理后，三维多孔的木头材料不仅孔道结构保持完整，并且
导电性能优异、
电阻率低，材质轻，机械强度大，可直接作为自支撑材料使用。近年来，二维材料的研究逐渐兴起，在器件、环境、催化等领域被广泛应用。因此，我们可以通过
化学气相沉积、水热法等方法，将二硫化铼等二维材料负载于碳化处理的多孔材料内部，直接用作催化分解水装置的产氢电极，通过一系列电化学性能测试，获得不错成果。
发明内容
[0004] 为了克服
现有技术的上述
缺陷，本发明的
实施例提供一种负载二维材料的自支撑多孔碳电极的制备方法，通过。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种负载二维材料的自支撑多孔碳电极的制备方法，具体制备步骤如下：
[0006] S1、自支撑多孔碳的制备；
[0007] S1.1、选择具有天然多孔结构的木头，根据所需尺寸大小，垂直于木头生长方向切割得到一定厚度的木片，将所得木片水平盛放在刚玉舟内，置于多温区管式炉中通入惰性气体，进行碳化处理，得到自支撑多孔碳；
[0008] S1.2、用
砂纸将自支撑多孔碳的表面进行打磨处理，并将打磨后的碳片置于
超声波清洗机中清洗，取出放置加热台干燥备用；
[0009] S2、利用CVD法生长ReS2纳米片；
[0010] S2.1、在多温区管式炉中，盛放
升华硫的刚玉舟置于上游温区外侧，盛放三氧化铼的刚玉舟置于下游温区的中心
位置，将自支撑多孔碳置于盛有三氧化铼的刚玉舟上沿；
[0011] S2.2、向多温区管式炉中通入惰性气体清洗自支撑多孔碳，而后抽
真空，再通气至常压；
[0012] S2.3、对三个温区进行加热反应，即可在自支撑的多孔碳的孔内生长二维材料；
[0013] S3、反应结束后，将负载二维材料的自支撑多孔碳直接用作催化产氢电极，并进行形貌观察和电化学测试。
[0014] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.1中，选择的天然多孔结构的木头为石楠木、樟子松。
[0015] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.1中，选择的天然多孔结构的木头具体为石楠木。
[0016] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.1中，所需尺寸大小是任意尺寸，只需不超过所使用管式炉炉管的内径尺寸。
[0017] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.1中，多温区管式炉的加热
温度为1000℃，碳化时间为10h。
[0018] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S2.1中，盛放升华硫的刚玉舟与盛放三氧化铼的刚玉舟之间的间隔距离为20-40cm。
[0019] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S2.2中，惰性气体为氩气或氮气。
[0020] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S2.2中，通入惰性气体清洗自支撑多孔碳时间为10min，抽真空至1*10-3Pa。
[0021] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S4中，惰性气体的流量为0-200sccm。
[0022] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S2.3中，每个温区加热方式相同，均为10-30℃经10-20min升温至300-400℃并保持5-20min，再经过5-10min升温至600-900℃，并保持5-60min。
[0023] 本发明的技术效果和优点：
[0024] 1、本发明通过利用管式炉对石楠木等具有天然多孔结构的木头进行直接碳化处理，打磨表面并清洗后直接用作生长二硫化铼等二维材料的基底；通过CVD方法，利用升华硫与三氧化铼分别作为硫源和铼源，以氩气作为载体气体，在这种具有导电性良好、
比表面积大、多孔结构的自支撑碳材料上，很容易地生长大量堆积的二硫化铼(ReS2)纳米片；将负载二硫化铼等二维材料的自支撑多孔碳直接应用于催化产氢电极等电极制备领域，有效地解决了复合电极制备过程中所需负载材料的生长难、不易转移等问题。
[0025] 2、通过一系列电化学测试表明，该方法制备的电极具有良好的电化学性能；本发明制备方法成本低、安全环保、简单有效，原材料资源丰富，对于发展各类电极的应用具有重要的意义；
[0026] 3、本发明利用天然多孔结构的木头制备碳电极，天然多孔的木头资源丰富，而且廉价易得，在管式炉内碳化操作简单，快速有效；碳化所得多孔木头中唯一碳元素组成，非常有利于二硫化铼等二维材料的生长。
附图说明
[0027] 图1为本发明实施例中制备的石楠木碳化前后对比图；
[0028] 图2为本发明实施例中制备的碳化石楠木SEM图，放大倍数为2000倍；
[0029] 图3为本发明实施例中制备的生长了二硫化铼纳米片的碳化石楠木SEM图，放大倍数为2000倍；
[0030] 图4为本发明实施例中制备的生长了二硫化铼纳米片的碳化石楠木SEM图，放大倍数为30000倍；
[0031] 图5为本发明实施例中制备的生长了二硫化铼纳米片的碳化石楠木和纯碳化石楠木的拉曼
光谱图；
[0032] 图6为本发明实施例中制备的负载二硫化铼的自支撑多孔碳电极和纯多孔碳电极的线性扫描速率曲线对比图；
[0033] 图7为本发明实施例中制备的负载二硫化铼的自支撑多孔碳电极不同施加
电压下的交流阻抗图；
[0034] 图8为本发明实施例中制备的负载二硫化铼的自支撑多孔碳电极不同扫速下的循环伏安曲线。
具体实施方式
[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036] 实施例1：
[0037] 一种负载二维材料的自支撑多孔碳电极的制备方法，具体制备步骤如下：
[0038] S1、自支撑多孔碳的制备；
[0039] S1.1、选择具有天然多孔结构的石楠木，将石楠木沿垂直于生长方向切割成长宽高为4cm*3cm*0.5cm的木片，将所得木片水平盛放在刚玉舟内，置于高纯氩气(99.999％)保护的多温区管式炉中，在1000℃下碳化10h，气体流量为200sccm，得到自支撑多孔碳；
[0040] S1.2、然后用800目砂纸对碳化石楠木的表面进行打磨处理，再用去离子水
超声波清洗60min，除去碳化木头表面以及孔内的碳颗粒，超声功率为180W，
频率为40KHz；清洗完毕后放置加热台干燥，备用；
[0041] S2、利用CVD法生长ReS2纳米片；
[0042] S2.1、在多温区管式炉中，盛放升华硫的刚玉舟置于上游温区外侧，盛放三氧化铼的刚玉舟置于下游温区的中心位置，两个刚玉舟之间的间隔距离为20cm，将自支撑多孔碳置于盛有三氧化铼的刚玉舟上沿；
[0043] S2.2、ReS2纳米片生长过程中压强为常压，向多温区管式炉中通入50sccm流量的高纯氩气(99.999％)清洗自支撑多孔碳10min，而后抽真空至1*10-3Pa，再通气至常压；
[0044] S2.3、对三个温区进行加热反应，三个温区温度调控一致，均为10℃经20min升温至300℃并保持20min，再经过10min升温至600℃，并保持60min，即可在自支撑的多孔碳的孔内生长二维材料，生长过程中气体流量为50sccm；
[0045] S3、反应结束后，将负载二维材料的自支撑多孔碳直接用作催化产氢电极，并进行形貌观察和电化学测试。
[0046] 实施例2：
[0047] 一种负载二维材料的自支撑多孔碳电极的制备方法，具体制备步骤如下：
[0048] S1、自支撑多孔碳的制备；
[0049] S1.1、选择具有天然多孔结构的石楠木，将石楠木沿垂直于生长方向切割成长宽高为4cm*3cm*0.5cm的木片，将所得木片水平盛放在刚玉舟内，置于高纯氩气(99.999％)保护的多温区管式炉中，在1000℃下碳化10h，气体流量为200sccm，得到自支撑多孔碳；
[0050] S1.2、然后用800目砂纸对碳化石楠木的表面进行打磨处理，再用去离子水超声波清洗60min，除去碳化木头表面以及孔内的碳颗粒，超声功率为180W，频率为40KHz；清洗完毕后放置加热台干燥，备用；
[0051] S2、利用CVD法生长ReS2纳米片；
[0052] S2.1、在多温区管式炉中，盛放升华硫的刚玉舟置于上游温区外侧，盛放三氧化铼的刚玉舟置于下游温区的中心位置，两个刚玉舟之间的间隔距离为30cm，将自支撑多孔碳置于盛有三氧化铼的刚玉舟上沿；
[0053] S2.2、ReS2纳米片生长过程中压强为常压，向多温区管式炉中通入50sccm流量的高纯氩气(99.999％)清洗自支撑多孔碳10min，而后抽真空至1*10-3Pa，再通气至常压；
[0054] S2.3、对三个温区进行加热反应，三个温区温度调控一致，均为20℃经14min升温至300℃并保持10min，再经过8min升温至700℃，并保持40min，即可在自支撑的多孔碳的孔内生长二维材料，生长过程中气体流量为50sccm；
[0055] S3、反应结束后，将负载二维材料的自支撑多孔碳直接用作催化产氢电极，并进行形貌观察和电化学测试。
[0056] 实施例3：
[0057] 一种负载二维材料的自支撑多孔碳电极的制备方法，具体制备步骤如下：
[0058] S1、自支撑多孔碳的制备；
[0059] S1.1、选择具有天然多孔结构的石楠木，将石楠木沿垂直于生长方向切割成长宽高为4cm*3cm*0.5cm的木片，将所得木片水平盛放在刚玉舟内，置于高纯氩气(99.999％)保护的多温区管式炉中，在1000℃下碳化10h，气体流量为200sccm，得到自支撑多孔碳；
[0060] S1.2、然后用800目砂纸对碳化石楠木的表面进行打磨处理，再用去离子水超声波清洗60min，除去碳化木头表面以及孔内的碳颗粒，超声功率为180W，频率为40KHz；清洗完毕后放置加热台干燥，备用；
[0061] S2、利用CVD法生长ReS2纳米片；
[0062] S2.1、在多温区管式炉中，盛放升华硫的刚玉舟置于上游温区外侧，盛放三氧化铼的刚玉舟置于下游温区的中心位置，两个刚玉舟之间的间隔距离为30cm，将自支撑多孔碳置于盛有三氧化铼的刚玉舟上沿；
[0063] S2.2、ReS2纳米片生长过程中压强为常压，向多温区管式炉中通入500sccm流量的高纯氩气(99.999％)清洗自支撑多孔碳10min，而后抽真空至1*10-3Pa，再通气至常压；
[0064] S2.3、对三个温区进行加热反应，三个温区温度调控一致，均为30℃经10min升温至400℃并保持5min，再经过10min升温至900℃，并保持5min，即可在自支撑的多孔碳的孔内生长二维材料，生长过程中气体流量为50sccm；
[0065] S3、反应结束后，将负载二维材料的自支撑多孔碳直接用作催化产氢电极，并进行形貌观察和电化学测试。
[0066] 实施例4：
[0067] 分别取上述实施例1-3所制得的自支撑多孔碳电极进行放电容量测试，得到以下数据：
[0068]
[0069] 由上表可知，实施例2中制备的自支撑多孔碳电极性能较好，电化学性能得到了明显的提高，且放电容量也得到的明显的提升。
[0070] 通过对实施例二生产的纳米片进行电化学检测，结果如图3-8所示；
[0071] 其中，图3-4为生长了二硫化铼纳米片的碳化石楠木SEM图，图3的放大倍数为2000倍，图4的放大倍数为30000倍。
[0072] 由图可知，该方法生长了二硫化铼纳米片大面积
覆盖在碳化石楠木的孔道内表面，分布均匀，纳米片形貌规则，尺寸大，可达几百纳米。
[0073] 图5为生长了二硫化铼纳米片的碳化石楠木和纯碳化石楠木的拉曼光谱图。由图5中我们可以看出，纯碳化石楠木的D、G和2D拉曼特征峰明显，证明拉曼石楠木碳化碳化完全；而生长了二硫化铼纳米片的碳化石楠木除了明显的D、G和2D拉曼特征峰外，还存在明显的ReS2的拉曼特征峰明显，其中它的三个主要特征峰Eg、Ag和Eg-like的拉曼位移分别处于158.7cm-1、208.5cm-1和302.6cm-1。
[0074] 图6为生长了二硫化铼纳米片的碳化石楠木和纯碳化石楠木的线性扫描速率曲线对比图。由图6我们可以看出，相较于纯碳化石楠木直接应用于催化产氢电极，纯碳化石楠木头的多孔结构生长二硫化铼以后，它的电化学性能有了极大的提升。
[0075] 图7为生长了二硫化铼纳米片的碳化石楠木的交流阻抗图。由图4可以看出，所制备负载二硫化铼的自支撑多孔碳电极具有较低的物理阻抗和界面反应阻抗以及较低内阻。
[0076] 图8为生长了二硫化铼纳米片的碳化石楠木的不同扫速下的循环伏安曲线。由图8可以看出，随着扫速的增大，循环伏安曲线的面积增大，但形状并没有发生明显的变化，表明所制备负载二硫化铼的自支撑多孔碳电极具有良好的
倍率性能和较小的阻抗。
[0077] 上述技术方案具有如下有益效果：(1)天然多孔的木头资源丰富，而且廉价易得，在管式炉内碳化操作简单，快速有效；(2)碳化所得多孔木头中唯一碳元素组成，非常有利于二硫化铼等二维材料的生长；(3)多孔碳化木头具有良好的导电性，很大的比表面积、耐高温等特点，负载二硫化铼等二维材料后可直接用作催化产氢电极，而且这种负载二维材料的自支撑多孔碳电极电化学性能良好，这很好地解决了复合电极制备过程中负载材料生长难、不易转移等问题。
[0078] 实施例5：
[0079] 一种负载二维材料的自支撑多孔碳电极的制备方法，具体制备步骤如下：
[0080] S1、自支撑多孔碳的制备；
[0081] S1.1、选择具有天然多孔结构的樟子松，将樟子松沿垂直于生长方向切割成长宽高为4cm*3cm*0.5cm的木片，将所得木片水平盛放在刚玉舟内，置于高纯氩气(99.999％)保护的多温区管式炉中，在1000℃下碳化10h，气体流量为200sccm，得到自支撑多孔碳；
[0082] S1.2、然后用800目砂纸对碳化樟子松的表面进行打磨处理，再用去离子水超声波清洗60min，除去碳化木头表面以及孔内的碳颗粒，超声功率为180W，频率为40KHz；清洗完毕后放置加热台干燥，备用；
[0083] S2、利用CVD法生长ReS2纳米片；
[0084] S2.1、在多温区管式炉中，盛放升华硫的刚玉舟置于上游温区外侧，盛放三氧化铼的刚玉舟置于下游温区的中心位置，两个刚玉舟之间的间隔距离为30cm，将自支撑多孔碳置于盛有三氧化铼的刚玉舟上沿；
[0085] S2.2、ReS2纳米片生长过程中压强为常压，向多温区管式炉中通入50sccm流量的高纯氩气(99.999％)清洗自支撑多孔碳10min，而后抽真空至1*10-3Pa，再通气至常压；
[0086] S2.3、对三个温区进行加热反应，三个温区温度调控一致，均为20℃经14min升温至300℃并保持10min，再经过8min升温至700℃，并保持40min，即可在自支撑的多孔碳的孔内生长二维材料，生长过程中气体流量为50sccm；
[0087] S3、反应结束后，将负载二维材料的自支撑多孔碳直接用作催化产氢电极，并进行形貌观察和电化学测试。
[0088] 本实施例中，通过利用樟子松作为基料制备自支撑多孔碳电极，然后进行电化学测试，同样能够有效解决复合电极制备过程中所需负载材料的生长难、不易转移等问题。
[0089] 最后：以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
