一种氮掺杂碳纳米管包裹超细金属纳米粒子的材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及碳达峰与碳中和应用领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管包裹超细金属纳米粒子，所述金属纳米离子分布在氮掺杂碳纳米管的内部，所述氮掺杂碳纳米管的直径10

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳纳米管包裹超细金属纳米粒子的材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及碳达峰与碳中和应用领域，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管包裹超细金属纳米粒子的材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]化石能源的大量使用引发了环境污染、气候改变和能源危机等一系列的问题，如何处理二氧化碳等温室气体、寻找可再生资源是全社会面临的挑战。
[0003]电化学还原二氧化碳法可以在温和的条件下将温室气体CO2转化为有价值的化学品，被认为是有效解决温室气体的方法之一。然而，二氧化碳是具有高解离能的线性分子，需要高效的电催化剂才能克服还原二氧化碳缓慢的动力学过程，在过去几十年中，化学家们致力于寻找理想的催化剂。银、金及其合金可以紧密地结合*COOH中间体，将其转化为*CO，且对CO的吸附较弱，因此在二氧化碳还原过程中对CO有着优异的选择性。
[0004]然而，贵金属稀缺且价格较高，限制了其作为催化剂的广泛应用，含量丰富的廉价金属Fe、Co、Ni、Bi等受到关注。尽管这些金属在水溶液中对析氢反应(HER)有较高的活性，但化学家充分利用量子尺寸效应，开发出一系列基于廉价金属的氧化物、金属有机框架、纳米粒子、单原子催化剂，其性能与相应的块状金属完全不同。在合成过程中，金属原子极易团聚，与单原子催化剂相比，在大多数情况下更容易获得金属纳米粒子催化剂，而较大的Ni纳米颗粒对HER的选择性更高，而单原子对CO2RR表现出优异的活性。因此，在催化剂设计中平衡粒径与性能之间的关系非常重要。

技术实现思路

[0005]为改善上述技术问题，本专利技术提供一种氮掺杂碳纳米管包裹超细金属纳米粒子的材料，所述金属纳米离子分布在氮掺杂碳纳米管的内部，所述金属为镍、铁、钴或铋，所述超细金属纳米粒子的直径为单原子级至10nm。
[0006]优选地，所述超细金属纳米粒子的直径为3
‑
7nm，更优选地，所述超细金属纳米粒子的直径为4
‑
6nm。
[0007]根据本专利技术的实施方案，所述氮掺杂碳纳米管的直径为10
‑
100nm，更优选地，所述氮掺杂碳纳米管的直径为20
‑
80nm，进一步优选地，所述氮掺杂碳纳米管的直径为30
‑
60nm，再优选地，所述氮掺杂碳纳米管的直径为40
‑
50nm。
[0008]根据本专利技术的实施方案，以相对于所述材料的质量百分比计，所述超细金属纳米粒子的含量为9
‑
33％，例如为15
‑
25％。
[0009]根据本专利技术的实施方案，所述材料通过热解金属源前驱体、氮源前驱体和碳源前驱体的混合物，原位制备得到。
[0010]其中，所述金属源前驱体、氮源前驱体和碳源前驱体均具有如下文所示的限定。
[0011]根据本专利技术的实施方案，所述材料具有基本如图1所示的扫描电镜图。
[0012]根据本专利技术的实施方案，所述材料具有基本如图2所示的球差电镜图。
[0013]本专利技术还提供上述材料的制备方法，包括如下步骤：通过热解金属源前驱体、氮源前驱体和碳源前驱体的混合物，原位制备得到所述材料。
[0014]根据本专利技术的实施方案，所述材料的制备方法包括如下步骤：
[0015]1)将金属源前驱体、氮源前驱体、碳源前驱体和溶剂混合，除去溶剂后得到混合物；
[0016]2)所述混合物在温度为200
‑
550℃的含氧氛围中进行第一次热解；
[0017]3)所述第一次热解后的产物在温度为700
‑
1000℃的惰性氛围中进行第二次热解，冷却得到所述材料。
[0018]根据本专利技术的实施方案，步骤1)中所述金属源前驱体与氮源前驱体的摩尔比为1:(15
‑
60)，优选地，所述金属源前驱体与氮源前驱体的摩尔比为1:(20
‑
50)，更优选地，金属源前驱体与氮源前驱体的摩尔比为1:(30
‑
40)。
[0019]根据本专利技术的实施方案，步骤1)中所述金属源前驱体与碳源前驱体的摩尔比为1:(0
‑
35)，优选地，所述金属源前驱体与碳源前驱体的摩尔比为1:(5
‑
30)，更优选地，所述金属源前驱体与碳源前驱体的摩尔比为1:(10
‑
25)，进一步优选地，所述金属源前驱体与碳源前驱体的摩尔比为1:(15
‑
20)。
[0020]根据本专利技术的实施方案，所述金属源前驱体选自包括镍源前驱体、铁源前驱体、钴源前驱体或铋源前驱体，例如所述镍源前驱体选自硝酸镍、氯化镍、硫酸镍中的一种、两种或更多种；
[0021]根据本专利技术的实施方案，所述氮源前驱体包括选自三聚氰胺、二聚氰胺、乙二胺、吡啶类配体中的一种、两种或更多种；
[0022]根据本专利技术的实施方案，所述碳源包括选自石墨烯和/或三聚氰胺。
[0023]根据本专利技术的实施方案，所述步骤1)中的混合在温度为50
‑
70℃(例如60℃)的搅拌条件下进行；优选地，所述搅拌的时间为2
‑
6h，例如为3h。
[0024]优选地，所述溶剂为极性溶剂，例如为乙醇、水或异丙醇；优选地，除去所述溶剂后混合物为黑色粉末。
[0025]根据本专利技术的实施方案，步骤2)中所述第一次热解的温度为300
‑
500℃；比如所述第一次热解的时间为0.5
‑
5小时。例如在350℃的空气中热解1小时。
[0026]优选地，步骤2)中所述第一次热解的升温速度为1
‑
10℃/min，更优选地，所述第一次热解的升温速度为2
‑
8℃/min，进一步优选地，所述第一次热解的升温速度为3
‑
6℃/min，例如为2℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min。
[0027]优选地，所述含氧氛围包括选自空气或氧气含量高于21％的氛围。
[0028]根据本专利技术的实施方案，步骤3)中所述第二次热解的温度为700
‑
900℃，比如第二次热解的时间为1
‑
5小时。例如在惰性气体中、900℃下保持2小时。
[0029]优选地，第二次热解温度的升温速度为1
‑
10℃/min，例如为2
‑
8℃/min，示例性为2℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min。
[0030]根据本专利技术的实施方案，步骤3)所述惰性氛围由氮气或氩气提供。
[0031]根据本专利技术的实施方案，步骤3)之前还包括将步骤2)第一次热解后的产物冷却的步骤。
[0032]根据本专利技术的实施方案，所述步骤2)、步骤3)在管式炉中进行。
[0033]优选地，所述材料为氮掺杂包裹超细镍纳米粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳纳米管包裹超细金属纳米粒子的材料，其特征在于，所述金属纳米离子分布在氮掺杂碳纳米管的内部，所述氮掺杂碳纳米管的直径10
‑
100nm，所述超细金属纳米粒子的直径为单原子级至10nm。2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述超细金属纳米粒子的直径为3
‑
7nm；优选地，所述金属为镍、铁、钴或铋，优选地，所述氮掺杂碳纳米管的直径为20
‑
80nm。3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，以相对于所述材料的质量百分比计，所述超细金属纳米粒子的含量为9
‑
33％。优选地，所述材料通过热解金属源前驱体、氮源前驱体和碳源前驱体的混合物，原位制备得到。优选地，所述材料具有如图1所示的扫描电镜图。优选地，所述材料具有如图2所示的球差电镜图。4.一种权利要求1至3中任一项所述氮掺杂碳纳米管包裹超细金属纳米粒子的材料的制备方法，包括如下步骤：通过热解金属源前驱体、氮源前驱体和碳源前驱体的混合物，原位制备得到所述材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述材料的制备方法包括如下步骤：1)将金属源前驱体、氮源前驱体、碳源前驱体和溶剂混合，除去溶剂后得到混合物；2)所述混合物在温度为200
‑
550℃的含氧氛围中进行第一次热解；3)所述第一次热解后的产物在温度为700
‑
1000℃的惰性氛围中进行第二次热解，冷却得到所述材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述金属源前驱体与氮源前驱体的摩尔比为1:(15
‑
60)。优选地，步骤1)中所述金属源前驱体与碳源前驱体的摩尔比为1:(0
‑
35)，优选地，所述金属源前驱体...

【专利技术属性】
技术研发人员：周天华，王伟娟，康遥，张健，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：