富含阳离子空位异质结催化材料及其制备方法及应用技术

本申请涉及一种富含阳离子空位异质结催化材料及其制备方法及应用。催化材料中的阳离子空位能有效地调节宿主材料的电子性质，从而促进电荷转移和氧化还原反应动力学，还能作为插入质子或碱金属阳离子的额外宿主位点，促进电化学循环时的离子扩散；形成的阳离子空位还能暴露更多的活性位点，提高导电性，在反应过程中促进质量传递，从而提高反应催化活性。本申请的制备方法中，水热法工艺较简单，能耗低，适用性广。原料价廉易得，所得产物结晶度良好，产率高。低温反应磷化药品消耗少，能耗相对较低，安全系数更高。安全系数更高。安全系数更高。

【技术实现步骤摘要】
富含阳离子空位异质结催化材料及其制备方法及应用


[0001]本申请属于电催化材料
，尤其是涉及一种富含阳离子空位异质结催化材料及其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着世界人口的增长和化石燃料能源供应的减少，寻找有效的替代可持续能源转换技术势在必行。直接液体燃料电池，将化学品中储存的化学能直接转化为电能引起高度重视。最近，尿素溶液和肼被用作液体燃料，相应的装置被命名为直接尿素/肼燃料电池(DUFC/DHzFC)。
[0003]例如，NiCo2O4中的钴缺陷与没有钴缺陷的对应物相比，产生电子离域并增加了固有电导率，导致OER性能增强(J.X.Zheng,X.F.Peng,Z.Xu,J.B.Gong and Z.Wang,Acs Catal,2022,12,10245
‑
10254.)。在最近的一项研究中，在NiFe
‑
LDH基底平面中引入阳离子空位不仅产生了高催化活性，而且还增强了OER的稳定性；他们的研究表明，阳离子空位加速了表面γ
‑
(NiFe)OOH相的演变并减轻了金属溶解，从而提高了OER活性(L.S.Peng,N.Yang,Y.Q.Yang,Q.Wang,X.Y.Xie,D.Sun
‑
Waterhouse,L.Shang,T.R.Zhang and G.I.N.Waterhouse,Angew Chem Int Edit,2021,60,24612
‑
24619.)。电催化UOR/HzOR领域尚没有引入富含阳离子空位来提高催化活性。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种在能够在UOR/HzOR体系中使用的富含阳离子空位异质结催化材料及其制备方法及应用。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，以下步骤：
[0007]S1：将Ni(NO3)2、Co(NO3)2、Zn(NO3)2或者三者的水合物与CO(NH2)2溶解于去离子水中，通过搅拌形成均相混合溶液，将混合溶液进行水热反应取沉淀物经过清洗干燥后得到产物Zn
‑
NiCo LDH；
[0008]S2：将S1步骤制备得到的Zn
‑
NiCo LDH粉末分散在KOH溶液中反应，取沉淀物洗涤离心干燥，得到Ni(OH)2‑
Co(OH)2。
[0009]S3：将S2步骤得到的Ni(OH)2‑
Co(OH)2与NaH2PO2·
H2O分别置于瓷舟中并分别处于下游和上游，之后在无氧气氛下加热反应，冷却后得到富含阳离子空位异质结催化材料Ni2P/CoP3‑
Zn
vac
。
[0010]含锌掺杂的水热处理后的Zn
‑
NiCo LDH前驱体与NiCo
‑
LDH非常吻合。
[0011]Zn
‑
NiCo LDH前驱体经KOH刻蚀三次之后转化为Ni(OH)2‑
Co(OH)2两相结构，与Ni(OH)2和Co(OH)2匹配良好。
[0012]最后，将Ni(OH)2‑
Co(OH)2磷化处理得到Ni2P/CoP3‑
Zn
vac
，其XRD图像与Ni2P和CoP3匹配良好。
[0013]优选地，本专利技术的富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，S1步骤中的Ni(NO3)2、Co(NO3)2、Zn(NO3)2或者三者的水合物这三种原料中Ni:Co:Zn元素的摩尔比为7:3:0.3；
[0014]S1步骤中水热反应是在120
±
5℃下进行反应10
‑
14小时。
[0015]优选地，本专利技术的富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，S1步骤中沉淀物经过用去离子水和乙醇多次洗涤离心后收集，在60
±
5℃下真空干燥得到产物Zn
‑
NiCo LDH。
[0016]优选地，本专利技术的富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，S2步骤中KOH溶液浓度为6.0
±
0.1M，反应温度为60
±
5℃，反应时间为3
‑
5h。
[0017]优选地，本专利技术的富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，，S2步骤中Zn
‑
NiCo LDH粉末分散在KOH溶液中反应后的沉淀物经过去离子水和乙醇洗涤后，再次分散在KOH溶液中反应取沉淀物经过去离子水和乙醇洗涤，又一次分散KOH溶液中反应，取沉淀物经过去离子水和乙醇洗涤以完全去除锌离子。
[0018]优选地，本专利技术的富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，S3步骤中加热反应时以2
±
0.1℃min
‑1的升温速率加热至350
±
2℃进行反应2
‑
3h。
[0019]优选地，本专利技术的富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，S3步骤中所述无氧气氛为氮气气氛。
[0020]本专利技术还提供一种富含阳离子空位异质结催化材料，由上述的制备方法制备得到。
[0021]本专利技术还提供一种碳纤维布阳极材料，表面涂覆有上述的富含阳离子空位异质结催化材料。
[0022]本专利技术还提供上述碳纤维布阳极材料作为尿素燃料电池中阳极的应用。
[0023]本专利技术的有益效果是：
[0024](1)催化材料中的阳离子空位能有效地调节宿主材料的电子性质，从而促进电荷转移和氧化还原反应动力学，还能作为插入质子或碱金属阳离子的额外宿主位点，促进电化学循环时的离子扩散；形成的阳离子空位还能暴露更多的活性位点，提高导电性，在反应过程中促进质量传递，从而提高反应催化活性。
[0025](2)过渡金属磷化物(TMP)具有成本低廉、含量丰富的优点。P原子不仅是质子受体，而且可以显著削弱氢吸附强度，从而防止催化剂因与氢原子紧密结合而中毒。通常，过渡金属磷化物M
x
P
y
根据分子式中金属和磷的原子比可分为两类，即贫磷TMP，其中x>y和富磷的TMP，x<y。具有丰富金属位点的P贫TMP通常表现出优异的导电性，但电催化活性相对较差，而具有丰富P位点的富P的TMP具有更好的催化电容，但导电性较差。富P
‑
TMP催化活性较好的原因是负P位点是路易斯碱，可以吸附带正电荷的反应中间体。从这一方面来看，与单一TMP相比，用富P和贫P组合物构建的催化剂组分将具有优越的催化性能。
[0026](3)构建的异质结构界面是实现催化剂电子结构和活性位点同时调制的有效策略。这些特性不仅能保持各组分固有的催化活性，而且由于界面协同效应，赋予了新的或增强的电化学性能。
[0027](4)本申请的制备方法中，水热法工艺较简单，能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，其特征在于，以下步骤：S1：将Ni(NO3)2、Co(NO3)2、Zn(NO3)2或者三者的水合物与CO(NH2)2溶解于去离子水中，通过搅拌形成均相混合溶液，将混合溶液进行水热反应取沉淀物经过清洗干燥后得到产物Zn
‑
NiCo LDH；S2：将S1步骤制备得到的Zn
‑
NiCo LDH粉末分散在KOH溶液中反应，取沉淀物洗涤离心干燥，得到Ni(OH)2‑
Co(OH)2。S3：将S2步骤得到的Ni(OH)2‑
Co(OH)2与NaH2PO2·
H2O分别置于瓷舟中并分别处于下游和上游，之后在无氧气氛下加热反应，冷却后得到富含阳离子空位异质结催化材料Ni2P/CoP3‑
Zn
vac
。2.根据权利要求1所述的富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，其特征在于，S1步骤中的Ni(NO3)2、Co(NO3)2、Zn(NO3)2或者三者的水合物这三种原料中Ni:Co:Zn元素的摩尔比为7:3:0.3；S1步骤中水热反应是在120
±
5℃下进行反应10
‑
14小时。3.根据权利要求1所述的富含阳离子空位异质结催化材料的制备方法，其特征在于，S1步骤中沉淀物经过用去离子水和乙醇多次洗涤离心后收集，在60
±
5℃下真空干燥得到产物Zn...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙秀娟，谭雯娟，周佳佳，曹秋涵，赵勇杰，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：