具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂及其制备和应用，该制备方法包括以下步骤：(1)取可溶性镍盐、可溶性钴盐、尿素和氟化铵溶于去离子水中形成均匀溶液，再转移至含有碳布的反应釜中，水热反应，得到负载于碳布上的镍钴双金属前驱体；(2)取负载于碳布上的镍钴双金属前驱体置于氨气氛围中高温氮化，即得到目标产物双功能电催化剂。本发明专利技术基于原位生长策略和异质结纳米片的阵列结构，有利于快速的电子转移，暴露出更多的活性位点，以及异质结界面的电子相互作用和不同组分的协同作用，从而有利于材料的催化活性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂及其制备和应用


[0001]本专利技术属于催化剂
，涉及一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂及其制备和应用。

技术介绍

[0002]由于日益严重的环境污染和能源危机，开发环境友好型可再生能源备受关注。氢被认为是一种有前途的清洁和可再生能源载体，因为它具有较高的重量能量密度和环境友好性。在各种制氢策略中，电化学水分解特别有吸引力，它可以由可再生电能提供如太阳能和风能。电化学水分解可分为两个半反应，阳极的析氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)。然而，水电解系统通常需要相当大的过电位，特别是由于阳极OER缓慢的动力学。此外，在阳极产生的氧气不仅价值较低，而且可能与在阴极产生的H2气体混合交叉，从而导致危险的氢氧混合爆炸。针对上述问题，采用醇类、肼类、尿素、5
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羟甲基糠醛等易氧化分子进行阳极有机小分子氧化反应，替代传统OER是一种可行的策略。
[0003]此外，未回收的PET废料会导致严重的环境问题和资源浪费。因此，如何提高PET塑料回收率，将其增值为高附加值的化学品是十分有意义的。PET通过化学水解获得的两种单体，对苯二甲酸和乙二醇。将PET废弃塑料通过电催化重整方式升级为增值化学品，将是一项十分有意义和经济收益的工作。其中，乙二醇作为一种常见的有机小分子，应用广泛价格低廉，且比水更容易电氧化。因此大量的工作集中在将乙二醇选择性氧化成乙醇酸、甲酸等高附加值产品。在这些产物中，甲酸或甲酸盐是制药、皮革和制革行业的重要化学原料。此外，甲酸由于其高功率密度是直接甲酸燃料电池的能量载体。因此，乙二醇氧化被认为是清洁且具有成本效益的氢气生产与增值化学产品的替代半反应，这增加了由较少能量输入驱动的整个电化学过程的经济价值。然而，电化学乙二醇氧化仍仅限于贵金属基催化剂，如钯、铂、金及其合金。开发高活性和坚固的非贵金属电催化剂，用于将乙二醇氧化成甲酸等增值化学品是非常需要的，但仍然面临巨大的挑战。
[0004]本专利技术也正是基于上述讨论而提出的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了提供一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂及其制备和应用，得益于原位生长策略和异质结纳米片的阵列结构，其有利于快速的电子转移，暴露出更多的活性位点，以及异质结界面的电子相互作用和不同组分的协同作用，从而有利于材料的催化活性。
[0006]本专利技术中规则排布的纳米片阵列结构有利于加速催化反应的扩散传质、加速累积气泡的快速脱附以具有及大的比表面积，从而使得活性位点充分暴露；异质结界面的电子相互作用和不同组分的协同作用，可有效提高催化活性。所涉及到的催化剂制备方法成本低，易操作且其在碱性电解液中具有良好的乙二醇氧化反应(EGOR)和析氢(HER)电催化性
能，可以较高的效率选择性将乙二醇氧化为增值的甲酸盐。将所制备的异质结催化剂分别用作阴阳极，可在较低的电压输入下，在阴阳极同时高效生产增值化学品。将PET塑料电催化升级为具有高附加值的甲酸盐是一种绿色经济可持续的策略，在能源转换和环境治理领域具有潜在的应用价值。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]本专利技术的技术方案之一提供了一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)取可溶性镍盐、可溶性钴盐、尿素和氟化铵溶于去离子水中形成均匀溶液，再转移至含有碳布的反应釜中，水热反应，得到负载于碳布上的镍钴双金属前驱体；
[0010](2)取负载于碳布上的镍钴双金属前驱体置于氨气氛围中高温氮化，即得到目标产物双功能电催化剂。
[0011]进一步的，步骤(1)中，可溶性镍盐、可溶性钴盐的金属元素摩尔比一般为(0.8～1.2)：(0.8～1.2)，优选为1：1。具体的，当可溶性镍盐、可溶性钴盐分别以六水合氯化镍和六水合氯化钴计时，可溶性镍盐、可溶性钴盐、氟化铵和尿素的质量比为(1.2～2)：(1.2～2)：1：(3.0～3.5)。
[0012]进一步的，步骤(1)中，所述的可溶性镍盐为六水合氯化镍；所述的可溶性钴盐为六水合氯化钴。
[0013]进一步的，步骤(1)中，去离子水的添加量为：每对应0.296g氟化铵，添加40～50mL去离子水，优选为45mL。
[0014]进一步的，步骤(1)中，水热反应的温度为100～140℃，优选为120℃，时间为4～6h，优选为5h。
[0015]进一步的，步骤(2)中，高温氮化的温度为450～550℃，优选为500℃，时间为1～3h，优选为2h。
[0016]更进一步的，步骤(2)中，高温氮化处理过程中的升温速率为5℃/min。
[0017]本专利技术过程中分别以六水合氯化镍、六水合氯化钴为金属源，尿素和氟化铵为添加试剂，去离子水为溶剂，在反应釜中添加一块清洁的碳布(将碳布依次在乙醇、10％硝酸溶液、去离子水中各超声清洗15min，即完成清洁)，水热反应结束后，在碳布表面原位生长镍钴双金属纳米片阵列结构。最后通过高温氮化处理将上述前驱体转化为氮掺杂的镍钴外延异质结纳米片阵列。氮化温度过高，会导致纳米片形貌坍塌破损，导致活性位点减少，催化活性降低；氮化温度过低，催化剂氮化程度不彻底，导致催化剂的导电性较差。
[0018]本专利技术的技术方案之二提供了一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂，其采用如上所述的制备方法制备得到。该催化剂由原位生长于碳布上的钴/氮化镍异质结纳米片阵列所构成。
[0019]本专利技术的技术方案之三提供了一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂的应用，该催化剂用于HER和EGOR中。进一步的，该催化剂用于碱性条件下的HER和EGOR中。更具体的，该催化剂可以高的效率将乙二醇以及PET水解产物选择性氧化生成增值的甲酸盐。
[0020]本专利技术中原位生长策略避免了使用粘合剂，保证了催化剂与导电基底界面的紧密接触，促进了电荷的快速传递。规则排布的纳米片阵列结构有利于加速催化反应的扩散传
质、加速累积气泡的快速脱附以具有及大的比表面积，从而使得活性位点充分暴露，提高反应动力学；异质结界面的电子相互作用和不同组分的协同作用，可有效提高催化活性和稳定性。所涉及到的方法成本低，易操作且产物在碱性电解液中具有良好的析氢(HER)和乙二醇氧化(EGOR)电催化活性，可在较低的电压输入下，在阴阳极同时实现增值化学品的生产。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0022](1)原位生长的纳米阵列结构具有快速的电荷转移以及大的比表面积，从而有效提升电催化析氢和乙二醇氧化性能。
[0023](2)氮化镍跟钴形成的异质结界面的电子相互作用和不同组分的协同作用，可以促进电荷转移，调节Ni
2+
/Ni
3+
氧化还原电对的位置，从而有效提高催化活性。
[0024](3)通过在氨气氛围下还原制造本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取可溶性镍盐、可溶性钴盐、尿素和氟化铵溶于去离子水中形成均匀溶液，再转移至含有碳布的反应釜中，水热反应，得到负载于碳布上的镍钴双金属前驱体；(2)取负载于碳布上的镍钴双金属前驱体置于氨气氛围中高温氮化，即得到目标产物双功能电催化剂。2.根据权利要求1所述的一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，可溶性镍盐、可溶性钴盐、氟化铵和尿素的质量比为(1.2～2)：(1.2～2)：1：(3.0～3.5)。3.根据权利要求1所述的一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的可溶性镍盐为六水合氯化镍；所述的可溶性钴盐为六水合氯化钴。4.根据权利要求1所述的一种具有异质结构镍钴氮化物纳米片阵列的双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，去离子水的添加量为：每对应0.296g氟化铵，添加40～50mL去离子水。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈作锋，刘璇，牛艳丽，巩帅奇，熊登科，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：