基于掺杂和异质结策略构建的V-Ni3FeN/Ni@N-GTs全解水电催化剂制造技术

本发明专利技术公开了一种基于掺杂和异质结策略构建的V

【技术实现步骤摘要】
基于掺杂和异质结策略构建的V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs全解水电催化剂


[0001]本专利技术属于电催化材料
，特别涉及一种基于掺杂和异质结策略构建的V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs全解水电催化剂及其制备和应用。

技术介绍

[0002]氢能凭借较高的质量比能量密度和无碳排放的优点，被广泛认为是一种可持续的替代能源，可以解决因消耗传统化石能源带来的环境问题。电催化裂解水是获得清洁氢燃料的有效途径，涉及两个半反应：阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)，这两个半反应的实现均依赖于高效的电催化剂。迄今为止，Pt
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和Ir/Ru
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氧化物基催化剂仍然被认为是HER和OER的理想电催化剂。然而，昂贵的成本和较低的储量阻碍了它们的大规模商业应用。能够在同一电解质中同时具有HER和OER双功能的全解水电催化剂将降低电催化裂解水的成本。近年来，研究人员开发出了一些非贵金属基的双功能电催化剂，主要有过渡金属磷化物、硫化物、碳化物、氮化物等。其中，过渡金属氮化物，凭借其低电阻、宽d带、优异的抗腐蚀性和良好机械强度的优势，正成为全解水电催化剂的理想材料。
[0003]由于催化剂的表面电子结构是影响其催化活性的主要因素，因此可以采取一些有效的策略来优化催化剂电子结构，提高其催化活性。首先，杂原子掺杂已被认为是调节主催化剂电子结构的一种有效策略。在过渡金属氮化物晶格中引入不同电负性的杂原子可以诱导电子密度的重新分布，精确调控主催化剂的电子结构，从而优化反应过程中中间体的吸附和解吸行为，进一步提高催化剂的活性。此外，由具有不同功函数的材料构成的异质结结构，可以诱发电荷在异质界面处重新排布，形成相对稳定的局部亲电/亲核区域，可以满足理想析氢和析氧双功能电催化剂对电荷分布的要求。最后，为了提高过渡金属氮化物的整体导电性，引入具有优良导电性能的碳材料作为骨架是一种有效的方法，同时可以避免活性成分在催化过程中的团聚，增加暴露的活性位点，从而提高析氢和析氧活性。综上所述，本专利技术将掺杂和异质结策略相结合，通过水热和氮化的方法，以氮掺杂石墨烯管为载体，制备出由原位生长于氮掺杂石墨烯管上的V掺杂Ni3FeN和Ni纳米颗粒构成的全解水电催化剂，即V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs。该催化剂在碱性介质中对析氢和析氧反应均表现出高效且稳定的电催化活性。而且，以V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs同时作为阴极和阳极催化剂进行全水分解，产生10mA cm
‑2的电流密度时，仅需1.55V的槽电压，且表现出优异的稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于掺杂和异质结策略构建V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs全解水电催化剂。具体的
技术实现思路
为：
[0005]1.以氮掺杂石墨烯管为载体，通过水热和氮化法，获得由原位生长于氮掺杂石墨烯管上的V掺杂Ni3FeN和Ni纳米颗粒构成的全解水电催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs，通过以下方法制备：
[0006](1)称取4mmol NH4F，8mmol CH4N2O和0.08～0.15mmol Na3VO4溶解在70mL蒸馏水中，按摩尔比为5:1称取2mmol硝酸镍和硝酸铁，溶于上述溶液中，并转移至反应釜中，同时将生长在石墨片上的氮掺杂石墨烯管浸入反应釜中，进行水热反应，反应温度为120℃，反应时间为6h，然后洗涤、干燥产物，得到负载在氮掺杂石墨烯管上的V掺杂NiFe前驱体；
[0007](2)将步骤(1)的产物放入管式炉中，在氩气气氛加热至470℃后，关闭氩气，并在该设定温度下，通入氨气2h后，冷却至室温，得到所述全解水电催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs。
[0008]2.该全解水电催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs在碱性介质中表现出优异的电催化性能，作为全解水电催化剂，仅需1.55V的槽电压即可达到10mA cm
‑2的电流密度，且表现出优异的稳定性。
[0009]本专利技术所公开的基于掺杂和异质结策略构建的V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs全解水电催化剂，与现有技术相比，其优越性在于：
[0010](1)将异质原子V引入电催化剂，精确调控宿主材料Ni3FeN中Ni，Fe的电子结构，从而优化反应过程中对中间体的吸附和解吸行为，进而提高催化剂的活性；
[0011](2)由V掺杂Ni3FeN和Ni纳米颗粒构成的异质结，可以诱发电荷在异质界面处重新排布，导致形成相对稳定的局部亲电/亲核区域，分别提高其析氢/析氧的催化活性；
[0012](3)引入具有优良导电性能的氮掺杂石墨烯管作为载体，不仅可以提高催化剂的整体导电性，并可以避免活性成分在催化过程中的团聚，增加暴露的活性位点，从而提高析氢和析氧性能。
附图说明
[0013]图1为实施例1所制得的全解水催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs的SEM照片，(a)2μm,(b)500nm；
[0014]图2为实施例1所制得的全解水催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs的TEM(a)以及HRTEM(b)照片；
[0015]图3为实施例1所制得的全解水催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs的XRD谱图；
[0016]图4为实施例1所制得的全解水催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs的XPS谱图,(a)V 2p谱,(b)Ni 2p谱，(c)Fe 2p谱；
[0017]图5为实施例1所制得的电催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs在1mol/L KOH溶液中电催化分解水的析氢反应性能图，(a)LSV曲线图(iR校正)，(b)Tafel斜率图，(c)稳定性测试图；
[0018]图6为实施例1所制得的电催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs在1mol/L KOH溶液中电催化分解水的析氧反应性能图，(a)LSV曲线图(iR校正)，(b)Tafel斜率图，(c)稳定性测试图；
[0019]图7为实施例1所制得的电催化剂V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs同时作为阴极和阳极催化剂，应用于电催化全解水的性能图，(a)LSV曲线图(iR校正)，(b)稳定性测试图。
具体实施方式
[0020]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明，但是这些实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于掺杂和异质结策略构建的V
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Ni3FeN/Ni@N
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GTs全解水电催化剂，其特征在于，通过水热和氮化法，获得由原位生长于氮掺杂石墨烯管上的V掺杂Ni3FeN和Ni纳米颗粒构成的全解水电催化剂，其特征在于，通过以下方法制备：(1)称取4mmol NH4F，8mmol CH4N2O和适量Na3VO4溶解在70mL蒸馏水中，按摩尔比为5:1称取2mmol硝酸镍和硝酸铁，溶于上述溶液中，并转移至反应釜中，同时将生长在石墨片上的氮掺杂石墨烯管浸入反应釜中，进行水热反应，反应温度为120℃，反应时间为6h，然后洗涤、干燥产物，得到负载在氮掺杂石墨烯管上的V掺杂NiFe前驱体；(2)将步骤(1)的产物放入管式炉中，在氩气气氛加热至设定温度后，关闭氩气，并在该设定温度下，通入氨气一定时间后，冷却至室温，得到所述全解水电催化剂V
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【专利技术属性】
技术研发人员：宋冠英，李镇江，骆思琪，孟阿兰，赵健，周晴，邹家琛，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：