二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法
阅读说明：本技术 二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法 (Preparation method of molybdenum disulfide nanosheet/carbon nitride nanosheet/graphene three-dimensional composite electrode catalyst ) 是由 黄华杰 严敏敏 何海燕 姜全国 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法,涉及电极催化剂领域,以氮化碳、氧化石墨烯和二硫化钼通过超声剥离生成二维的单层或少层二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片和氧化石墨烯纳米片,再制备二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片和氧化石墨烯的混合溶液,严格控制三者之间的添加比例,采用水热反应使得二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片和氧化石墨烯相互连结,自下而上组装成三维多孔气凝胶,构筑出具有银耳状的三维多孔自支撑结构,复合催化剂的比表面积大,催化活性位点数量多,循环稳定性好,具有优异的催化性能。(The invention provides a preparation method of a molybdenum disulfide nanosheet/carbon nitride nanosheet/graphene three-dimensional composite electrode catalyst, relates to the field of electrode catalysts, the method comprises the steps of ultrasonically stripping carbon nitride, graphene oxide and molybdenum disulfide to generate a two-dimensional single-layer or few-layer molybdenum disulfide nanosheet, a carbon nitride nanosheet and a graphene oxide nanosheet, preparing a mixed solution of the molybdenum disulfide nanosheet, the carbon nitride nanosheet and the graphene oxide, strictly controlling the addition ratio of the molybdenum disulfide nanosheet, the carbon nitride nanosheet and the graphene oxide, enabling the molybdenum disulfide nanosheet, the carbon nitride nanosheet and the graphene oxide to be mutually connected by adopting a hydrothermal reaction, assembling the molybdenum disulfide nanosheet, the carbon nitride nanosheet and the graphene oxide from bottom to top to form the three-dimensional porous aerogel, and constructing the three-dimensional porous self-supporting structure with the shape of a tremella.)
技术领域
本发明涉及一种电极催化剂的制备方法，具体地，涉及一种二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法。
背景技术
氢气作为一种高效、清洁与环境友好型能源，吸引了越来越多科学家的目光。电催化产氢具有高效、无污染、原料水来源广泛的优势，很适合工业化制备氢气。传统电催化产氢领域，金属铂由于特殊的电子结构、高的催化活性，常常被用作电极催化剂材料，但是铂高昂的价格和易中毒的特性在很大程度上阻碍了其大规模商业化应用。因此，开发高效、环境友好且能够支撑商业化应用的新兴电极催化剂具有重大意义。
二硫化钼(MoS2)是一种典型的层状过渡金属化合物，具有和石墨相似的层状结构，电催化性能较好，被广泛用于析氢催化领域的研究。氮化碳(C3N4)在可见光照射下表现出较强的氧化能力和光催化分解有机物的能力，同时也作为产氢催化剂的一员进入到科学家的视野。相比于传统块体结构的二硫化钼和氮化碳材料，二硫化钼纳米片及氮化碳纳米片能够暴露出更多的活性位点，因此具有更好的电催化性能。此外，二硫化钼纳米片和氮化碳纳米片的导电性较差，引入高导电性的碳材料作为基体材料，以降低复合催化剂的电荷转移电阻，是提升复合体系电催化活性的一种有效手段。石墨烯作为一种新型碳材料，具有大比表面积、高电导率、和电化学稳定等优点，可作为理想的导电添加剂。目前为止，电催化剂产氢的研究热点中，以二硫化钼、石墨烯、氮化碳和它们的改性衍生物为代表，其中很多研究将二硫化钼纳米片或者氮化碳纳米片与石墨烯复合制备二元杂化催化剂用于电催化产氢(Tan X,Tahini HA,Smith SC,P-doped graphene/graphitic carbon nitridehybrid electrocatalysts:unraveling charge transfer mechanisms for enhancedhydrogen evolution reaction performance.ACS Catalysis 2016,6,7071-7077；LeeJE,Jung J,Ko TY,et al.Catalytic synergy effect of MoS2/reduced graphene oxidehybrids for a highly efficient hydrogen evolution reaction.RSC Advance 2017,7,5480-5487)。而将二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片和石墨烯二维纳米结构组装成具有三维结构的三元复合催化剂的研究还鲜有报道。
中国专利号CN109174149A公开了一种可见光响应型MoS2/GO/g-C3N4三元复合光催化材料及其制备方法，GO占MoS2/GO总质量的1～7％，MoS2/GO占MoS2/GO/g-C3N4三元复合光催化材料总质量的1～5％，制备得到的三元复合催化剂可光催化降解RhB，但是从三元复合光催化剂的扫描电镜图可以明显该三元复合催化剂同其他二维片层材料结构相似，GO和g-C3N4片层之间，存在较大的范德华力，催化剂在制备和使用过程中发生了不可逆的团聚、堆叠现象，导致部分的反应活性位点被覆盖而降低催化效率，加之MoS2呈颗粒状分散在片层之间，在使用过程中很容易在载体表面迁移、团聚长大，进一步造成催化剂活性表面积降低，降低催化剂性能。因此，开发新的制备方法，减少复合体系中各纳米片的堆叠，提高复合材料的光催化活性具有重要的意义。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法。
二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备二硫化钼纳米片分散液、氮化碳纳米片分散液和氧化石墨烯分散液；
S2、将步骤S1的二硫化钼纳米片分散液、氮化碳纳米片分散液和氧化石墨烯分散液混合，搅拌均匀，得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/氧化石墨烯三元复合物溶液，所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为1～10：1～10，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为1～10：1～10；
S3、将步骤S2的三元复合物溶液进行水热反应得到水凝胶状产物，然后透析水洗，冷冻干燥，即得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂。
本发明以氮化碳、氧化石墨烯和二硫化钼通过超声剥离生成二维的单层或少层二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片和氧化石墨烯纳米片，再制备二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片和氧化石墨烯的混合溶液，严格控制三者之间的添加比例，采用水热反应使得氮化碳、氧化石墨烯和二硫化钼烯相结合，无序排列的纳米片形成相互交迭、无序支撑，即自支撑纳米片为构筑基元，自下而上组装成三维多孔气凝胶，构筑出具有银耳状的三维自支撑结构，交迭在一起的构筑基元之间的空隙相互连通形成微孔网络，不仅促进纳米片之间的分散从而暴露出更多的活性位点，而且其特有的孔洞结构能够使得外部的电解液很容易地进入到材料内部，同时为电子的传输和电解液向催化剂内部的渗透都提供通畅渠道，从而保证活性位点与反应介质充分接触；提升了催化剂的比表面积，并延长了光生载流子的寿命，使得光生电子和空穴快速分离，显著抑制了光生电子和空穴的复合，从而增强三维催化剂的电催化活性。
进一步的，步骤S2，所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为1～7：1～4，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为1～4：1～2。
进一步的，步骤S2，所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为7：3，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为1：1。
进一步的，步骤S1，所述二硫化钼纳米片分散液浓度为0.1-5g/L，所述氮化碳纳米片分散液浓度为0.1-5g/L，所述氧化石墨烯分散液浓度为0.1-5g/L。
进一步的，步骤S2，所述搅拌条件为：0-60℃磁力搅拌时间10-60min。
进一步的，步骤S3，所述水热反应条件为：100-200℃反应时间为2-48h。
进一步的，步骤S3中，所述透析水洗时间为1-10d，所述冷冻干燥时的干燥压力为10-200Pa。
进一步的，步骤S1制备所述氮化碳纳米片分散液具体包括以下步骤：
P1、将商用氮化碳粉末分散在异丙醇溶液中，超声处理1-10h；
P2、将所得分散液在3000rpm下离心5-60min，除去沉淀后可得到淡黄色分散液，经干燥处理后可得到氮化碳纳米片粉末；
P3、将所得氮化碳纳米片粉末置于35％浓硝酸中在20-100℃下反应0.1-1h，所得样品经水洗、干燥后，重新分散于水溶液中，得到均匀的氮化碳纳米片分散液。
本发明所达到的有益技术效果：
1.本发明提供的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，制备出的电极催化剂具有银耳状的三维自支撑结构，催化剂的比表面积大，催化活性位点数量多，循环稳定性好，复合电极催化剂的催化性能优异。应用本发明制备的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂在电解制氢等领域具有较好的应用前景和经济效益。
2.二维纳米片组装构筑成三维结构，克服纳米片层之间的堆叠和团聚问题，使各组分在复合催化剂中趋向于均匀分散，可有效增大活性位点，也使得电子的传输速率更高。
3.本发明的MoS2、GO以及C3N4价格低廉且来源丰富，成本低，制备方法简单可控、重复性好，有利于规模化生产，具有较高的实用价值。
附图说明
图1本发明流程示意图；
图2本发明实施例3的方法制备出的二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片、氧化石墨烯和二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的X射线衍射(XRD)图谱；
图3本发明实施例3的方法制备出的二硫化钼纳米片(图A、B)、氮化碳纳米片(图C、D)和氧化石墨烯(图E、F)的原子力显微镜(AFM)图谱；
图4本发明实施例3(图A、图B)和对比例3、4(图C、图D)的方法制备出的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片；
图5本发明实施例3的方法制备出的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的透射电子显微镜(TEM)照片；
图6本发明实施例3的方法制备出的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的氮气吸脱附曲线图；
图7本发明实施例3的方法制备出的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂(MoS2-C3N4/G)与二硫化钼纳米片(MoS2)、氮化碳纳米片(C3N4)和石墨烯(G)材料对电催化产氢反应的(图A)线性扫描伏安及(图B)塔菲尔斜率对比曲线图；
图8本发明实施例3的方法制备出的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂循环性能测试图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，一种二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、分别制备浓度为0.1-5g/L的二硫化钼纳米片分散液、氮化碳纳米片分散液和氧化石墨烯分散液。
S2、将步骤S1的二硫化钼纳米片分散液、氮化碳纳米片分散液和氧化石墨烯分散液混合，在0-60℃磁力搅拌时间10-60min，混合均匀，得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/氧化石墨烯三元复合物溶液；所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为1～10：1～10，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为1～10：1～10；
S3、将步骤S2的三元复合物溶液置于100-200℃下水热反应时间为2-48h，得到水凝胶状产物，然后透析水洗1-10d，冷冻干燥，干燥压力为10-200Pa，即得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂。
其中，步骤S1制备所述氮化碳纳米片分散液具体包括以下步骤：
P1、将商用氮化碳粉末分散在异丙醇溶液中，超声处理1-10h；
P2、将所得分散液在3000rpm下离心5-60min，除去沉淀后可得到淡黄色分散液，经干燥处理后可得到氮化碳纳米片粉末；
P3、将所得氮化碳纳米片粉末置于35％浓硝酸中在20-100℃下反应0.1-1h，所得样品经水洗、干燥后，重新分散于水溶液中，得到均匀的氮化碳纳米片分散液。
所述二硫化钼纳米片分散液的制备方法为：将二硫化钼粉末于异丙醇和水混合溶液中在在0-60℃超声剥离0.5-10h，得到二硫化钼纳米片分散液；所述氧化石墨烯分散液的制备方法为：将氧化石墨烯于水中在在0-60℃超声剥离0.5-10h，得到氧化石墨烯分散液。因超声温度和时间对二硫化钼纳米片和氧化石墨烯的分散度现有技术已有诸多报道，本申请不做赘述，优选25℃超声剥离5h作为本申请的制备条件，以下实施例皆选用此条件。
实施例1
二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、分别制备0.1g/L二硫化钼纳米片分散液、0.1g/L氮化碳纳米片分散液和0.1g/L氧化石墨烯分散液；
S2、将步骤S1的二硫化钼纳米片分散液、氮化碳纳米片分散液和氧化石墨烯分散液混合，在0℃磁力搅拌时间10min，混合均匀，得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/氧化石墨烯三元复合物溶液；所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为1：10，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为1：10；
S3、将步骤S2的三元复合物溶液置于100℃下水热反应时间为2h，得到水凝胶状产物，然后透析水洗1d，-80℃冷冻干燥，干燥压力为10Pa，即得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂。
其中，步骤S1制备所述氮化碳纳米片分散液具体包括以下步骤：
P1、将商用氮化碳粉末分散在异丙醇溶液中，超声处理1h；
P2、将所得分散液在3000rpm下离心5min，除去沉淀后可得到淡黄色分散液，经干燥处理后可得到氮化碳纳米片粉末；
P3、将所得氮化碳纳米片粉末置于35％浓硝酸中在20℃下反应0.1h，所得样品经水洗、干燥后，重新分散于水溶液中，得到均匀的氮化碳纳米片分散液。
实施例2
二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、分别制备5g/L二硫化钼纳米片分散液、5g/L氮化碳纳米片分散液和5g/L氧化石墨烯分散液；
S2、将步骤S1的二硫化钼纳米片分散液、氮化碳纳米片分散液和氧化石墨烯分散液混合，在20℃磁力搅拌时间25min，混合均匀，得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/氧化石墨烯三元复合物溶液；所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为1：4，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为1：2；
S3、将步骤S2的三元复合物溶液置于200℃下水热反应时间为48h，得到水凝胶状产物，然后透析水洗10d，-10℃冷冻干燥，干燥压力为200Pa，即得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂。
其中，步骤S1制备所述氮化碳纳米片分散液具体包括以下步骤：
P1、将商用氮化碳粉末分散在异丙醇溶液中，超声处理10h；
P2、将所得分散液在3000rpm下离心10min，除去沉淀后可得到淡黄色分散液，经干燥处理后可得到氮化碳纳米片粉末；
P3、将所得氮化碳纳米片粉末置于35％浓硝酸中在70℃下反应0.5h，所得样品经水洗、干燥后，重新分散于水溶液中，得到均匀的氮化碳纳米片分散液。
实施例3
二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、分别制备2g/L二硫化钼纳米片分散液、3g/L氮化碳纳米片分散液和2g/L氧化石墨烯分散液；
S2、将步骤S1的二硫化钼纳米片分散液、氮化碳纳米片分散液和氧化石墨烯分散液混合，在60℃磁力搅拌时间60min，混合均匀，得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/氧化石墨烯三元复合物溶液；所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为7：3，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为1：1；
S3、将步骤S2的三元复合物溶液置于180℃下水热反应时间为24h，得到水凝胶状产物，然后透析水洗3d，-50℃冷冻干燥，干燥压力为15Pa，即得到二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂。
其中，步骤S1制备所述氮化碳纳米片分散液具体包括以下步骤：
P1、将商用氮化碳粉末分散在异丙醇溶液中，超声处理10h；
P2、将所得分散液在3000rpm下离心60min，除去沉淀后可得到淡黄色分散液，经干燥处理后可得到氮化碳纳米片粉末；
P3、将所得氮化碳纳米片粉末置于35％浓硝酸中在100℃下反应1h，所得样品经水洗、干燥后，重新分散于水溶液中，得到均匀的氮化碳纳米片分散液。
实施例4
实施例4与实施例3的区别在于，步骤S2中，所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为4：1，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为4：1。
实施例5
实施例5与实施例3的区别在于，步骤S2中，在60℃磁力搅拌时间60min，所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为10：1，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为10：1。
对比例1
对比例1与实施例3的区别在于，步骤S2中，所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为15：1。
对比例2
对比例2与实施例3的区别在于，步骤S2中，所述二硫化钼纳米片与氮化碳纳米片的添加量按质量比计为1：15。
对比例3
对比例3与实施例3的区别在于，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为15：1。
对比例4
对比例4与实施例3的区别在于，所述氧化石墨烯与二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物的添加量按质量比计为1：15。
应用例性能表征
以实施例3的方法制备出的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂为例进行性能表征。
1)X-射线粉末衍射图谱(XRD)
图2为采用实施例3的方法制备出的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的X-射线粉末衍射图谱，即XRD图谱，从图中可以清楚地看到二硫化钼和氮化碳的特征峰，说明复合产物中含有这两种组分。此外，该XRD谱图不存在氧化石墨的特征峰，而仅在25度左右存在一个包峰，说明氧化石墨已被还原为石墨烯。
2)显微镜分析
图3为二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片和氧化石墨烯的原子力显微镜图，从图中可以看出二硫化钼、氮化碳和氧化石墨烯呈明显的单层或少层片状结构；
图4A和图4B为二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的场发射扫描电子显微镜图，其中，图4B为图4A的局部放大图。图中可以看出，该催化剂具有很明显的三维多孔网络结构，孔洞尺寸分布在几百纳米至十几微米范围内，同时二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片和石墨烯组分均以二维薄片形式存在，三种组分相互交迭，构筑出具有银耳状的三维自支撑结构。当改变本申请的配比时，如当氧化石墨烯含量过高或过低都无法形成良好的三维多孔网络结构；如图4C和图4D所示，氧化石墨烯含量过高时，片层之间缺乏足够的空间形成三维网络结构，大量的石墨烯容易发生堆叠和团聚，形成较厚的碳层；而当氧化石墨烯含量过低时，片层之间只存在稀疏的连接，石墨烯组分表现出典型的二维形貌而无法构成三维网络结构。
图5为二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂的透射电子显微镜图。可以看到，超薄的二硫化钼纳米片、氮化碳纳米片及石墨烯三者之间形成了有效的相互连结，所构筑的三维复合催化剂很好的克服了传统纳米片层材料的堆叠及团聚问题。
以上结果说明本发明的二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂具有抗堆叠、团聚的三维多孔网络骨架，各组分形成良好的分散，比表面积大，活性位点多，因此具有更高的催化性能和电化学活性。
3)氮气吸脱附测试
从图6的吸脱附测试曲线图可以看出，该催化剂的比表面积为249.5m2g-1，结构富含微孔和介孔结构。
4)电化学产氢反应测试
实验方法：在电化学工作站上进行了电催化产氢反应测试(CHI760 E，上海晨华仪器有限公司)。采用标准的三电极体系，分别利用Pt丝、饱和甘汞电极(SCE)和涂覆三维复合催化材料的玻碳电极(GCE，3mm)作为对电极、参比电极和工作电极。采用一种典型的方法制备工作电极：在混合溶液(475μL的水，4 5μL的乙醇和50μL 5％Nafion)中溶解2mg的三维复合催化材料，超声处理30min，随后，将上述悬浮液的5μL小心滴在预处理后的玻碳电极(GCE，3mm)表面，并在室温下干燥。在析氢性能测试中，在0.5M H2SO4水溶液中，扫描电极电位为0.242～-0.658V(Vs RHE)，电位扫描速率为2mV s-1时，测得极化曲线。室温下，在-0.258～-0.338V(Vs RHE)的电位下进行2000次循环，扫描速率为10mV s-1。
从图7A中可以看出，二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯三维复合电极催化剂反应起始电位最低、电流密度最高，说明具有良好的催化耐久性；从图7B中可以看出，二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片/石墨烯复合电极催化剂的塔菲尔(Tafel)斜率最小，说明该催化剂的催化活性最好。同时，如图8所示，经过2000次循环测试后，催化剂的活性几乎没有衰减，说明其具有优异的循环稳定性。
此外，对采用实施例1-5和对比例1-4的方法制备出的三维复合电极催化剂进行产氢催化活性检测，结果如表1。
表1实施例1-5制得催化剂对产氢反应的性能指标
由表1可知，采用实施例1-5的方法制备催化剂，均具有低的过电位、低Tafel斜率和大的交换电流密度，催化活性高。随着二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物中的二硫化钼纳米片含量的提高，催化剂的活性表面积、交换电流密度都随之增加，过电位和Tafel斜率相应降低，但是二硫化钼纳米片添加量的进一步提高，见实施例5，催化剂的性能反而相比实施例3和实施例4有所降低，当其含量增加至对比例1的含量时，催化剂的性能急剧降低；这是因为MoS2的导电性不佳，大量加入会造成电子传递效率降低；对比例2相比于实施例1～5，二硫化钼纳米片/氮化碳纳米片二元复合物中的氮化碳纳米片含量高，大量二硫化钼纳米片表面的活性位点被氮化碳所覆盖，同样会降低催化活性。合适的C3N4和MoS2添加比例，有利于综合发挥两者的催化性能，产生协同效应，进而得到高的催化活性和催化稳定性。
二维层状材料的异质复合形成三维自支撑的网络结构比其他维度如二维或颗粒状的复合材料有着更大的接触界面，不仅可以加快电解质离子和电子在界面处的转移，而且有利于反应介质与活性位点的充分接触，从而表现出更为理想的催化活性；而C3N4和MoS2自身形成不了三维网络结构，需要依靠氧化石墨烯的支撑，因此，氧化石墨烯的添加量也只有在合适的情况下才能得到良好的三维网络结构，氧化石墨烯添加量过高，见对比例3，由于氧化石墨烯片层之间氢键作用强，大量石墨烯片层会倾向于堆叠在一起形成较厚的碳层；而氧化石墨烯含量低，见对比例4，石墨烯片层之间缺乏足够的连接而无法形成有效的载体支撑作用，部分C3N4和MoS2堆叠在一起，成为无效催化剂，降低了利用率，且直接堆叠的二维层状纳米片严紧致密的二维结构，极大地限制了电解液离子在材料中的快速传输，会严重地降低材料的催化性能。本申请通过大量的实验，确定了本发明的各组分的配比，各组分只有在上述配比含量下才能得到催化性能良好的产氢用电催化剂。