本发明专利技术公开了一种氮化钼纳米棒电极材料及其制备方法和应用。使用电极基底材料，利用常用的溶剂热方法，首先在电极基底材料表面生长过渡金属掺杂的钼酸盐纳米棒，然后利用高温氮化的方法得到表面均匀生长一层致密的过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒材料。本发明专利技术所述氮化钼纳米棒电极材料显示了优异的析氢、析氧以及全水分解性能，可作为催化电极用于电化学反应。
Molybdenum nitride nanorod electrode material and preparation method and application thereof
The invention discloses a molybdenum nitride nanorod electrode material and a preparation method and application thereof. Using the electrode substrate material, the molybdate nanorods doped with transition metal were first grown on the surface of the electrode substrate by using the common solvothermal method. Then a dense transition metal doped molybdenum nitride nanoscale material was obtained by high temperature nitriding. The molybdenum nitride nanorod electrode material of the invention shows excellent hydrogen evolution, oxygen evolution and water decomposition performance, and can be used as a catalytic electrode for electrochemical reaction.
【技术实现步骤摘要】
一种氮化钼纳米棒电极材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料领域，具体涉及一种氮化钼纳米棒电极材料及其制备方法，即在多孔电极上制备氮化钼纳米棒电极材料的技术，及其用作电催化水分解材料的应用。
技术介绍
近年来能源危机和环境污染的问题已经引起了人们广泛的关注，迫切要求发展可再生能源作为减少化石燃料的替代方案。氢能源由于其高能量密度和环保等特点，是满足未来全球能源需求的有吸引力和有前景的能源。在众多生产氢气的方法中，通过电催化析氢反应（HER）和析氧反应（OER）分解水是未来大量获得氢气最经济有效的途径之一。为了加速缓慢的HER和OER动力学，高活性和稳定性的电催化剂是必不可少的。铂基材料是最有效的HER电催化剂，而铱和钌的氧化物是OER的商业化基准。然而，这些贵金属基催化剂的稀缺性和高成本严重阻碍了其在电催化水分解中的大规模应用[Jia,X.,Zhao,Y.,Chen,G.,Shang,L.,Shi,R.,Kang,X.Adv.EnergyMater.2016,6,1502585.]。近年来，人们开发了一些地表含量丰富的过渡金属的化合物，如氧化物、硫化物、磷化物、碳化物和氮化物等，其中少数化合物的HER或OER性能已接近或赶超贵金属基催化剂。例如，Zhang等人在泡沫镍上制备的MoNi4/MoO2纳米棒电催化剂，表现出可以与商业基准材料Pt/C电极相比拟的HER性能[Zhang,J.,Wang,T.,Liu,P.,Liao,Z.,Liu,S.,Zhuang,X.,Chen,M.,Zschech,E.,Feng,X.,Nat.Commun.2017,8,15437]。然而，同时具有优异HER和OER性能的电催化剂鲜有报道。因此，为了简化水分解系统，降低生产成本，制备可以同时用作HER和OER的高效双功能电催化剂是一个亟待解决的难题[Yang,Y.,Zhang,K.,Lin,H.,Li,X.,Chan,H.C.,Yang,L.ACSCatal.2017,7,2357–2366.Wang,T.,Wang,X.,Liu,Y.,Zheng,J.,Li,X.NanoEnergy,2016,22,111-119.]。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种氮化钼纳米棒电极材料及其制备方法和应用。本专利技术使用电极基底材料，利用常用的溶剂热方法，首先在电极基底材料表面生长过渡金属掺杂的钼酸盐纳米棒，然后利用高温氮化的方法得到表面均匀生长一层致密的过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒材料。该材料显示了优异的析氢(HER)、析氧(OER)以及全水分解性能。本专利技术解决其技术问题所采用的方案是：一种氮化钼纳米棒电极材料，在电极基底材料表面生长有过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒。所述电极基底材料可以为本领域常规使用的电极基底材料，如平板电极、多孔电极等，优选多孔电极，所述多孔电极选自泡沫金属电极或导电碳布中的一种或几种，所述泡沫金属电极可以为泡沫镍、泡沫铜等。优选的，所述过渡金属选自Fe、Co、Ni、Cu、Zn中的一种或几种。本专利技术所述的氮化钼纳米棒直径为0.5~1.2μm，长度为10~100μm。本专利技术提供了上述的电极材料的制备方法，包括如下步骤：（1）将可溶性钼酸盐、过渡金属盐与电极基底材料在在水溶液中加热，制备得到电极表面生长的过渡金属钼酸盐纳米棒；（2）将过渡金属钼酸盐纳米棒在NH3中高温氮化，得到多孔电极表面生长的过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒。所述过渡金属盐可以为无机盐或有机盐，如硝酸盐、盐酸盐、醋酸盐等。所述可溶性钼酸盐选自(NH4)6Mo7O24、(NH4)2MoO4、Na2MoO4中的一种或几种。优选过渡金属盐与可溶性钼酸盐的摩尔比为(0-20):1，更优选4:1。优选的，所述电极基底材料经过预处理再进行反应。预处理方法为：首先在乙醇与丙酮1:1的混合溶剂中超声30min，然后在3MHCl中超声30min，水洗备用。预处理能够使过渡金属钼酸盐和过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒能够在多孔电极的表面生长均匀。上述制备方法，优选所述水热反应条件为在水溶液中80-180℃热处理1-12小时；氮化反应条件为以1-20℃/min的升温速率升温至450-750℃并保持1-10小时。本专利技术的一个具体的反应条件为在水溶液中150℃热处理6小时；氮化反应条件为以5℃/min的升温速率升温至550℃并保持2小时本专利技术一个优选的方案，上述氮化钼纳米棒电极材料的具体制备方法如下：将摩尔比为4:1的M(NO3)2(M=Fe、Co、Ni、Cu、Zn)和(NH4)6Mo7O24加入到水中，混合均匀并超声溶解后转移至内衬有聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，加入洗净的多孔电极，150℃热处理6小时。得到的产物用水洗涤，红外灯下烘干。所得的产物即在多孔电极表面均匀生长的过渡金属钼酸盐纳米棒。上述所得的产物在NH3气氛下以5℃/min的升温速率升温至550℃并保持2小时，自然冷却至室温后，得到在多孔电极表面均匀生长的过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒。本专利技术一个优选的实施例，上述多孔电极表面生长过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒材料，其制备方法主要分三步，具体步骤为：（1）将泡沫镍在乙醇与丙酮1:1的混合溶剂中超声30min，然后在3MHCl中超声30min，水洗备用。（2）将Ni(NO3)2和(NH4)6Mo7O24加入到水中，混合均匀并超声30min溶解，使其摩尔浓度分别为0.04M和0.01M，随后转移至内衬有聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，加入洗净的面积为4×4cm2泡沫镍，150℃热处理6小时，泡沫镍表面会均匀生长出过渡金属钼酸盐纳米棒。（3）上述所得的产物在NH3气氛下以5℃/min的升温速率升温至550℃并保持2小时，自然冷却至室温后，得到在泡沫镍表面均匀生长的过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒。上述方法制备得到的过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒垂直于泡沫镍表面生长，直径为0.5~1.2μm，长度为10~100μm。将第（3）步得到的产物剪裁成1×1cm2，作为工作电极，标准Hg/HgO电极和石墨电极分别作为参比电极和对电极，组装成三电极系统水电解池。电解质为1MKOH溶液。以1mVs-1的扫描速度，进行线性扫描伏安测试。在10mAcm-2电流密度下，所得的产物的HER过电势η仅为15mV，OER过电势η仅为218mV，均低于前驱体材料、以及相同基底且负载量相同的商业基准Pt/C电极和RuO2电极。持续工作33小时后电极电位几乎不变。将第（3）步得到的产物剪裁成1×1cm2，使用两片分别作为工作电极和对电极，组装成双电极系统水电解池。电解质为1MKOH溶液。以1mVs-1的扫描速度，进行线性扫描伏安测试。在10mAcm-2的电流密度下，所得的产物组成的水电解池仅需施加1.507V的电压，而采用商业基准材料Pt/C和RuO2组装的水电解池则需要施加的电压为1.530V。持续工作33小时后电极电位几乎不变。本专利技术的另一目的是提供本专利技术所述氮化钼纳米棒电极材料作为催化电极在电化学反应中的应用。本专利技术的主要优势在于：（1）以过渡金属为原料，开发出一种在多孔电极表面均匀生长过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒电极材料的方法。该方法操作简单、成本低廉、易于工业化生产。（2）通过此专利技术得到的多孔电极表面均匀生长的过渡金本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种氮化钼纳米棒电极材料，其特征在于在电极基底材料表面生长有过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒。
【技术特征摘要】
1.一种氮化钼纳米棒电极材料，其特征在于在电极基底材料表面生长有过渡金属掺杂的氮化钼纳米棒。2.如权利要求1所述的电极材料，其特征在于所述电极基底材料为多孔电极。3.如权利要求2所述的电极材料，其特征在于所述多孔电极选自泡沫金属电极或导电碳布中的一种或几种。4.如权利要求1所述的电极材料，其特征在于所述过渡金属选自Fe、Co、Ni、Cu、Zn中的一种或几种。5.如权利要求1-4任一项所述的电极材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将可溶性钼酸盐、过渡金属盐与电极基底材料在水溶液中加热，制备得到电极表面生长的过渡金属钼酸盐纳米棒；（2）将过渡金属钼酸盐纳米棒在NH...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜红宾，贾珺然，朱俊杰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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