N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料及其制备制造技术

本发明专利技术涉及一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料的制备方法，包括以下步骤：(1)取尿素溶解于去离子水中，调节其pH至4‑7，搅拌均匀，干燥；(2)再将步骤(1)中干燥所得尿素置于氮气气氛下，高温退火，冷却后得到g‑C

【技术实现步骤摘要】
N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料及其制备
本专利技术属于电催化全解水材料
，涉及一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料的制备方法。
技术介绍
全球不断变暖和能源危机日益加剧促使着可持续和可再生能源的研究与应用越来越迫在眉睫，氢能由于燃烧热值高，燃烧同等质量的氢产生的热量约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍,而且它的燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源，因此是最有希望成为传统化石能源的替代品。电催化全解水是一种生产高纯氢的环保方法，它由两个半电池反应组成：阳极的氧析出反应(OER)和阴极的氢析出反应(HER),然而由于两个半反应无论是在动力学上还是在热力学上都比较缓慢，它们的反应效率是决定整体水分解性能的关键因素。而且，更重要的是，碱性和中性电解质环境更有利于OER过程，而酸性电解质环境对HER过程是有益的。因此，OER和HER的最佳工作环境的这种不匹配也将不可避免地对总体水分解的效率产生负面影响，这将阻碍大规模制氢的电化学水分解技术。到目前为止，ORR，OER和HER的最先进催化剂仍然是贵金属及其化合物，如Pt/C，Ir和Ru氧化物。但是，铂(Pt)基催化剂对HER具有高性能，可是对OER仅具有中等活性。类似地，贵金属氧化物(IrO2和RuO2)是用于OER的最优电催化剂，但对于HER的催化性能不是很好。最重要的是，这些贵金属的高成本，稳定性差以及全球储备稀缺性极大地妨碍了它们的实际应用，所以迫切需要开发出具有高催化活性的非贵金属电催化剂来促进电解水过程。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料的制备方法。催化材料中氮氧双掺杂的石墨化碳不仅大大提升了催化剂的导电性，而且可以抑制催化剂中的金属离子的溶出，从而可以大大提升催化剂的催化性能和循环稳定性。利用氧化氮化碳为前驱体吸附金属离子不仅是催化剂有较好的分散性，而且对其起到限域生长的作用从而大限度的避免了催化剂的团聚。该催化材料显示出优异的HER,OER和全解水的催化性能。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术的技术方案之一提出了一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料的制备方法，包括以下步骤：(1)取尿素溶解于去离子水中，调节其pH至4-7，搅拌均匀，干燥；(2)再将步骤(1)中干燥所得尿素置于氮气气氛下，高温退火，冷却后得到g-C3N4；(3)取金属原子前驱体溶于去离子水中得到溶液A，再将g-C3N4溶于溶液A中，超声处理后冷冻干燥，得到碳化物前驱体；(4)最后将碳化物前驱体与锌粉混合研磨均匀，在氮气气氛下，高温退火，冷却，即得到目的产物。进一步的，步骤(1)中，调节pH所用试剂为0.1-1M的HCl；搅拌的温度为20-80℃；干燥的温度为60-120℃。进一步的，步骤(2)中，高温退火的工艺条件为：以1～10℃/min的速率升温至500～600℃，保温1-12h。进一步的，步骤(3)中，所述的金属原子前驱体为硝酸钴、硝酸铁、硝酸镍或钼酸铵。进一步的，步骤(3)中，溶液A中金属盐与去离子水的摩尔比为1-6:1。进一步的，步骤(3)中，金属盐与g-C3N4的质量比为1-3:2。进一步的，步骤(4)中，碳化物前驱体与锌粉的质量比为1-3:1。进一步的，步骤(4)中，高温退火的工艺条件为：升温速率为1～10℃/min，升温至600～900℃保温1～12h。本专利技术使用g-C3N4作为碳前体，并使用锌粉作为还原剂来合成氮/氧掺杂的碳包覆的Mo2C和Ni6Mo6C1.06纳米粒子(NiMo@C)。g-C3N4，不仅能在高温热解条件下生成氮氧掺杂的石墨化碳，它不仅大大提高了催化剂的电导率，而且限制了金属离子在催化剂中的溶解，从而大大提高了催化剂的催化性能和循环稳定性。利用氮化碳为前驱体吸附金属离子不仅是催化剂有较好的分散性，而且对其起到限域生长的作用从而大限度的避免了催化剂的团聚。本专利技术的技术方案之二提出了一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料，其采用如上述的制备方法制备得到。进一步的，复合物材料中，O原子掺杂量为2～8wt％；N原子掺杂量为2～8wt％。与现有技术相比，本专利技术以氮、氧掺杂金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合材料，既有效避免了金属离子的团聚又能在催化过程中抑制活性组分的溶出。并且制备工艺简单，具有较高的科研价值。附图说明图1为实施例1所得N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料的TEM图，其中，a-b为N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料在不同分辨率下的TEM图，c-d为N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料的高分辨TEM图。图2为实施例1所得的N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料的SAED和EDS图。图3为实施例1所得N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料XRD的图谱。图4为制备N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料的XPS图谱。图5为实施例1制得的N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料催化氧析出反应电化学性能测试谱图。图6为实施例1制得的N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料催化氢析出反应电化学性能测试谱图。图7为实施例1制得的N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料催化全解水电化学性能测试谱图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。以下各实施例中，如无特别说明的原料试剂或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。实施例1：一种N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料，含有Mo、Ni、C、N、O元素。上述的N/O双掺杂的金属碳包覆过度金属碳化物纳米粒子复合物材料制备方法，具体包括以下步骤：(1)称取10g尿素溶于5ml的去离子水中，用0.1M的HCl调节pH为6，搅拌均匀后80℃干燥10h，将干燥后的尿素置于坩埚中在氮气气氛下的管式炉中550℃退火3h，自然冷却得g-C3N4；(2)将0.1g的Ni(NO3)2·6H2O和0.05gH8MoN2O4溶于5ml的去离子水中形成均匀的溶液A，将0.2g的g-C3N4分散于溶液A中，超声5h后冷冻干燥得NiMo@C前驱体；(3)将NiMo@C前驱体与等质量的锌粉混合并研磨均匀后置于坩埚中在氮气气氛下的管式炉中900℃退火3h，自然冷却得NiMo@C。实施例2：(1)称取10g尿素溶于5ml的去离子水中，用0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)取尿素溶解于去离子水中，调节其pH至4-7，搅拌均匀，干燥；/n(2)再将步骤(1)中干燥所得尿素置于氮气气氛下，高温退火，冷却后得到g-C

【技术特征摘要】
1.一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取尿素溶解于去离子水中，调节其pH至4-7，搅拌均匀，干燥；
(2)再将步骤(1)中干燥所得尿素置于氮气气氛下，高温退火，冷却后得到g-C3N4；
(3)取金属原子前驱体溶于去离子水中得到溶液A，再将g-C3N4溶于溶液A中，超声处理后冷冻干燥，得到碳化物前驱体；
(4)最后将碳化物前驱体与锌粉混合研磨均匀，在氮气气氛下，高温退火，冷却，即得到目的产物。


2.根据权利要求1所述的一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，调节pH所用试剂为0.1-1M的HCl；
搅拌的温度为20-80℃；
干燥的温度为60-120℃。


3.根据权利要求1所述的一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高温退火的工艺条件为：以1～10℃/min的速率升温至500～600℃，保温1-12h。


4.根据权利要求1所述的一种N/O双掺杂的金属碳包覆碳化物纳米粒子复合物材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的金属原子前驱体为硝酸钴、硝酸铁、...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵宇霖，罗时文，时鹏辉，范金辰，徐群杰，朱晟，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：上海;31