钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料、制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料、制备方法与应用，所述方法包括以下步骤：步骤1)立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料的合成：将铁氰化钾溶液滴加至溶解氯化钒和柠檬酸三钠的混合溶液中，超声搅拌后静置，之后清洗、离心、干燥后得到立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料；步骤2)钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料的制备：步骤1)制备得到的立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料与氮源前驱体发生气相沉积反应，得到钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料。与常规制备碳纳米复合材料相比，本发明专利技术制备的钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料活性位点分布更加均匀，燃料电池阴极氧还原反应性能更加稳定。能更加稳定。

【技术实现步骤摘要】
钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料、制备方法与应用


[0001]本专利技术属于燃料电池阴极氧还原材料
，特别涉及一种钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料、制备方法与应用。

技术介绍

[0002]燃料电池作为新一代能源转化技术，具有清洁高效、能量转换效率高以及环境友好等优点，被视为解决能源环境问题的最有效技术之一。燃料电池工作中，由于阴极氧还原反应(ORR，Oxygen Reduction Reaction)固有的动力学缓慢问题，使得阴极反应的速率成为了整个燃料电池的控速步骤，也是制约燃料电池发展的主要因素。
[0003]为了降低阴极氧还原反应的能垒，提高阴极氧还原反应速率，催化材料的使用必不可少。目前，性能最好的氧还原催化材料是铂类贵金属，而其本身存在着资源稀缺、成本高、选择性和抗甲醇性能差等致命性的缺点。
[0004]因此，寻找新的、廉价的、稳定性好的非贵金属氧还原催化材料作为贵金属铂的替代品成为了目前研究的焦点问题，也是从根本上解决燃料电池成本高和寿命短等缺点，早日实现其大规模商业化应用的必经之路。
[0005]过渡金属和氮共掺杂的碳基催化材料，因具有价格低、制备方法简单、催化活性高以及稳定性好等优点，被认为是最有望取代铂基催化材料作为燃料电池阴极氧还原反应催化剂的材料之一。类普鲁士蓝纳米材料所具有的结构优势成为制备过渡金属和氮共掺杂的碳基催化材料的理想前驱体。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术将具有独特立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝纳米材料作为前驱体，配合高温条件下与三聚氰胺或双氰胺发生的气相沉积反应，制备得到了具有丰富V
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N
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/Fe
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N
x
活性位的钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料。整个氮化过程都被限制在立方体纳米结构中，有效防止了钒铁基氮碳化物活性物种的团聚和流失，使其能够更加充分的在低浓度电解液中发挥其电催化氧还原活性。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：一种钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0008]步骤1)立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料的合成：
[0009]将铁氰化钾溶液滴加至溶解氯化钒和柠檬酸三钠的混合溶液中，超声搅拌后静置，之后清洗、离心、干燥后得到立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料；
[0010]步骤2)钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料的制备：
[0011]步骤1)制备得到的立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料与氮源前驱体发生气相沉积反应，得到钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料。
[0012]进一步地，所述步骤1)中，铁氰化钾溶液为8
‑
10mmol；氯化钒溶液为8
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10mmol；柠檬酸三钠溶液为18
‑
20mmol。
[0013]进一步地，所述步骤1)中，超声搅拌60～120min后静置24～48h。
[0014]进一步地，步骤1)制备得到的立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料与氮源前驱体发生气相沉积反应具体为：
[0015]将立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料和与氮源前驱体放置在石英瓷舟的两端，在保护气氛下的管式炉中以一定的升温速率升温至预设温度，焙烧预设时间。
[0016]进一步地，氮源前驱体为尿素、双氰胺或三聚氰胺中的至少一种。
[0017]进一步地，保护气氛为氩气或氮气。
[0018]进一步地，升温速率为1～5℃/min；预设温度为650
‑
750℃；预设时间为2～4h。
[0019]进一步地，预设温度为700℃；预设时间为2.5h。
[0020]进一步地，立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料和氮源前驱体的质量比为1：10
‑
30。
[0021]进一步地，立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料和氮源前驱体的质量比为1:20。
[0022]本专利技术还提供一种如上述制备方法制备得到的钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料。
[0023]同时，本专利技术还提供一种如上述钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料的应用，所述钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料应用于制备电催化还原材料。
[0024]通过本专利技术的制备方法制备得到的钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料，与常规制备碳纳米复合材料相比，钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料活性位点分布更加均匀，燃料电池阴极氧还原反应性能更加稳定；同时功能化氮原子的掺杂更凸显出V
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N
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与Fe
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N
x
之间的协同作用，促使其具有优异的氧还原活性。此外，与商用贵金属燃料电池阴极氧还原材料相比制备成本大幅降低。
[0025]本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书以及权利要求书来实现和获得。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
[0028]除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本专利技术所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本专利技术仅描述了优选的方法和材料，但是在本专利技术的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
[0029]关于本专利技术中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
[0030]本专利技术提供一种钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料、制备方法与应用，在具有独特立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料的基础上，通过高温焙烧过程，配合气相沉积氮化辅助合成策略，制备了具有丰富电催化氧还原活性位的钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料。
[0031]本专利技术提供一种钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0032]步骤1)立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料的合成：
[0033]将铁氰化钾溶液滴加至溶解氯化钒和柠檬酸三钠的混合溶液中，超声搅拌后静置，之后清洗、离心、干燥后得到立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤1)立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料的合成：将铁氰化钾溶液滴加至溶解氯化钒和柠檬酸三钠的混合溶液中，超声搅拌后静置，之后清洗、离心、干燥后得到立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料；步骤2)钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料的制备：步骤1)制备得到的立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料与氮源前驱体发生气相沉积反应，得到钒铁基氮碳化物异质结纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤1)中，铁氰化钾溶液为8
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10mmol；氯化钒溶液为8
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10mmol；柠檬酸三钠溶液为18
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20mmol。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤1)中，超声搅拌60～120min后静置24～48h。4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1)制备得到的立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料与氮源前驱体发生气相沉积反应具体为：将立方体结构的钒铁基类普鲁士蓝前驱体纳米材料和与氮源前驱体放置在石英瓷舟的两...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛亚男，彭穗，杨亚东，李道玉，
申请(专利权)人：成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：