一种VN/Ni微米花复合电催化材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种VN/Ni微米花复合电催化材料及其制备方法与应用。所述VN/Ni微米花复合电催化材料具有VN颗粒和Ni颗粒交织排布形成的微米花状结构。本发明专利技术的VN/Ni微米花复合电催化材料将VN和Ni有效复合并以微米花的形式呈现，不仅有利于两相的均匀分散，且提供更多的活性位点。其中VN具有类Pt的电子结构，良好的电子传导性，较小的塔菲尔斜率，同时Ni会促进与VN的协同作用，故VN/Ni具备优异的催化活性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种VN/Ni微米花复合电催化材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于电催化电极材料
，具体涉及一种VN/Ni微米花复合电催化材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]日益增长的能源需求和化石燃料消耗的必然性，使得寻找环保、可再生和清洁的替代能源，以及有效的能量提取新方法成为必然。氢能是助于解决未来能源焦虑的理想能源。电化学水裂解技术具有能量密度高、能量转换效率高、对环境友好等优点，是一种成熟的生产零碳排放清洁氢能的工业技术。
[0003]目前，用于HER的最先进的电催化剂是铂族金属催化剂。但铂族金属催化剂属于贵金属催化剂，资源稀缺，成本高，低双功能性和稳定性差，限制了它们的大规模应用。因此，研究人员一直致力于设计高活性、高耐久性、低成本、易得的双功能电催化剂作为HER的高效电极材料。近年来，非贵金属过渡金属(如Ni、Co、Fe、和W)与过渡氮化物掺杂或复合被广泛用于HER电催化剂的探索。VN作为过渡金属氮化物，具有类Pt特性、高导电性、电化学稳定性以及电化学操作条件下的耐腐蚀性。由于VN在合成过程中容易发生自发团聚，降低电化学比表面积和催化效果，所以研究者们致力于设计特殊结构的VN基材料以满足不同的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术目的在于提供一种VN/Ni微米花复合电催化材料及其制备方法，所述VN/Ni微米花复合电催化材料可作为高效的HER和ORR电催化材料，制备方法简单，安全高效，适用范围广。
[0005]第一方面，本专利技术提供一种VN/Ni微米花复合电催化材料。结合SEM和TEM可以看出所述VN/Ni微米花复合电催化材料具有VN颗粒和Ni颗粒交织排布形成的微米花状结构。
[0006]本专利技术的VN/Ni微米花复合电催化材料将VN和Ni有效复合并以微米花的形式呈现，不仅有利于两相的均匀分散，且提供更多的活性位点。其中VN具有类Pt的电子结构，良好的电子传导性，较小的塔菲尔斜率，同时Ni会促进与VN的协同作用，故VN/Ni具备优异的催化活性。
[0007]较佳地，所述VN颗粒的尺寸为5
‑
30nm，所述Ni颗粒的尺寸为10
‑
50nm。
[0008]第二方面，本专利技术提供上述任一项所述的VN/Ni微米花复合电催化材料的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：(1)将包括氮源、钒源、镍源的原料称料后混合均匀得到混合物；(2)向混合物中加入水并充分混匀，于160
‑
200℃水热反应6
‑
18小时；(3)水热反应结束后，将水热反应产物洗涤并干燥，在惰性气氛下于700
‑
900℃保温热解120
‑
180min，获得VN/Ni微米花复合电催化材料。
[0009]相对于一次固相合成法，本专利技术的制备方法在固相热解前，预先通过水热法获得
类海绵状结构产物，利于复合材料各组成的均匀分散以及便捷调控产物形貌。
[0010]较佳地，所述氮源、钒源、镍源的质量比为(32
‑
40)：(3
‑
8)：(3
‑
8)。将上述原料的质量比控制在该范围，可以避免颗粒团聚，利于获得微米花状形貌，同时还有利于控制所需物相组成。
[0011]较佳地，所述氮源在保温过程中热解产生还原性气体并使VN/Ni微米花复合电催化材料的各组成均匀分散。所述还原性气体包括但不限于氨气等。
[0012]较佳地，所述氮源选自尿素、双氰铵、三聚氰胺。这些氮源成本低廉，同时在热解过程中会产生大量还原性气体。
[0013]较佳地，所述钒源包括偏钒酸铵和/或乙酰丙酮钒。
[0014]较佳地，所述镍源为六水合硝酸镍和/或六水合氯化镍。
[0015]较佳地，步骤(2)中混合物和水的质量比为3：50
‑
3：80。
[0016]第三方面，本专利技术还提供上述任一项所述的VN/Ni微米花复合电催化材料在电解水制氢和氧还原方面的应用。
[0017]本专利技术具有以下有益效果：
[0018]1.本专利技术的VN/Ni微米花复合电催化材料，促进Ni与VN的协同催化效应，相较于单相VN具有更加优异的催化性能。而且VN/Ni微米花复合电催化材料还具有高纯度和高结晶度。
[0019]2.本专利技术的VN/Ni微米花复合电催化材料具有超电势小、寿命长、塔菲尔斜率小等特点，在电解水产氢和氧还原方面有巨大的应用前景。
[0020]3.本专利技术的制备方法为合成VN/Ni提供新思路。首先通过水热获得类海绵状结构产物，分散以及调控产物形貌。然后惰性气氛下固相热解，热解产生的还原性气体可以还原VO3‑
生成VN，同时将Ni
2+
还原成Ni，形成VN/Ni微米花复合材料，避免了危险性还原性气体H2的使用，有利于工业化生产。
附图说明
[0021]图1是实施例1制备的VN/Ni微米花的XRD图谱；图2是实施例3制备的VN/Ni微米花的SEM图；图3是实施例4制备的VN/Ni微米花的TEM图；图4是实施例5制备的VN/Ni微米花的产氢性能图；图5是实施例6制备的VN/Ni微米花的氧还原性能图；图6是实施例2水热产物的XRD图谱；图7是实施例2水热产物的SEM图；图8是对比例1单相VN(没有添加镍源)产氢性能图；图9是对比例2样品的SEM图；图10是对比例1单相VN(没有添加镍源)样品的SEM图；图11是对比例3采用一步固相法制备样品的产氢性能图；图12是对比例2样品的产氢性能图；图13是对比例3样品的SEM图。
具体实施方式
[0022]通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
[0023]以下示例性说明本专利技术所述VN/Ni微米花复合电催化材料(也可以称为“电催化功能VN/Ni微米花”)的制备方法。
[0024]按照一定质量比称量氮源、钒源和镍源。所述氮源、钒源、镍源的质量比可为(32～40)：(3～8)：(3～8)。当氮源、钒源、镍源的质量比超出上述范围时，例如为41：3：3时，产物没有出现微米花形貌，而是轻微团聚的纳米颗粒。
[0025]应理解，氮源、钒源、镍源的种类不受限制，可以根据需要作出适应性调整。所述氮源选自双氰铵、三聚氰胺、尿素中的至少一种。优选为尿素。所述钒源选自乙酰丙酮钒和/或偏钒酸铵。优选为偏钒酸铵。所述镍源优选为六水合硝酸镍和/或六水合氯化镍。优选为六水合硝酸镍。以上原料在选择时应符合成本低廉、安全可靠、容易控制的特点。
[0026]较佳地，所述氮源中氮的质量百分比在在30％以上。氮源中氮含量越高，利于增强复合材料的导电性，进而提高材料的催化性能。该氮源优选为碳氮同源化合物。通过热解时产生的还原性气体例如NH3发生氧化还原反应可以合成出VN，该方法不仅避免了H2还原NH4VO3中危险气体的使用，同时产生的气体可以为制备尺寸以及形貌可控的VN/Ni微米花提出新的实验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种VN/Ni微米花复合电催化材料，其特征在于，所述VN/Ni微米花复合电催化材料具有VN颗粒和Ni颗粒交织排布形成的微米花状结构。2.根据权利要求1所述的VN/Ni微米花复合电催化材料，其特征在于，所述VN颗粒的尺寸为5
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30 nm，所述Ni颗粒的尺寸为10
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50nm。3.根据权利要求1或2所述的VN/Ni微米花复合电催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将包括氮源、钒源、镍源的原料称料后混合均匀得到混合物；（2）向混合物中加入水并充分混匀，于160
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200℃水热反应6
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18小时；（3）水热反应结束后，将水热反应产物洗涤并干燥，在惰性气氛下于700
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900℃保温热解120
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180 min，获得VN/Ni微米花复合电催化材料。4.根据权利要求3所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑锋，李帅楠，冯亮亮，曹丽云，冯永强，何丹阳，冯李，张晓，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：