一种类椭球状三硒化二铌的制备方法及应用技术

本发明专利技术为一种类椭球状三硒化二铌的制备方法及应用。将铌粉、硒粉以摩尔比为0.2:1

【技术实现步骤摘要】
一种类椭球状三硒化二铌的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于无机纳米材料制备领域，具体涉及一种析氢反应(HER)催化剂类椭球状三硒化二铌的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]过渡金属硫属化合物因其丰富的光学和电学特性，以及在催化、电子和能量储存等领域的广阔应用前景，近年来引起了人们的广泛关注。过渡金属硫属化合物AB2(A代表过渡金属元素，B代表S、Se等元素)，具有准二维层状结构和较高的电催化析氢活性，目前可替代贵金属铂(Pt)作为高效HER电催化剂候选材料。但部分钼和铌的硫化物和硒化物受到的关注相对较少，例如其化学组分A:B＝2:3(A＝Mo、Nb；B＝S、Se)的硫属化合物,具有该化学计量的Mo或Nb的硫族化合物被称作倍半硫族化合物，研究人员预测倍半硫族化合物(例如Nb2Se3、Mo2S3)可以将更多的金属中心加入到这个结构单元中，从而产生新的电催化HER候选材料。
[0003]目前，合成倍半硫族化合物的方法主要有化学气相沉积法和真空固相烧结法等。Ivanova(PhyscialChemistryChemicalPhysics,21,2019,1454)等人采用真空固相烧结法将等量的Mo和S前驱体放在真空石英安瓿中，首先在600℃加热3小时对前驱体进行热处理，然后进一步加热至1100℃保持72小时得到Mo2S3；将等量的Nb和Se前驱体放在真空石英管中，在1100℃下保持90小时，通过在冰水浴中淬火冷却石英管得到Nb2Se3，此方法需要对原材料进行预处理，制备Mo2S3和Nb2Se3材料所耗时间超长、操作繁琐、制得的样品量非常有限且消耗过量的原材料。Zhong(AppliedSurface Science,263,2012,410)等人采用化学气相沉积法引入金颗粒作为成核位点，合成具有受控位点的高密度三维Mo2S3纳米花，此方法制备过程引入了金颗粒作为成核位点，因此对研究Mo2S3纳米花的性能有所影响。Peng(AppliedPhysicsLetters,83,2018,3561)等人通过浸渍有MoO3的多孔Al2O3和H2S气体之间的固相反应合成了均匀的Mo2S3纳米棒，此制备过程中使用氧化钼作为实验原料，难以避免引入少量的杂质，且长期制备会导致环境污染问题。以上的合成倍半硫族化合物的方法通常采用过量的原材料，或者通过多步反应，添加其他辅助原料才能合成所需产物，具有生产成本高、工艺复杂、制备繁琐、生产周期长、可重复性差、产出率低等缺点。因此，从经济成本和绿色环保角度考虑，亟需开发一种经济、快速、高效、稳定的合成途径。本专利技术提供了一种少铌条件下一步制备含类椭球状Nb2Se3的硒化铌材料的方法，在铌和硒摩尔比为0.2:1
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0.5:1的宽广比例范围内获得产物，与传统方法相比减少不必要的原料消耗，大大降低生产成本，并直接用作电催化HER活性材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术主要提供了一种工艺简单、成本低、重复性好且可一步制备含类椭球状Nb2Se3的方法，以低于化学计量比的比例0.2:1
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0.5:1(化学计量比2:3)的条件下合成Nb2Se3，所需原料成本降低且避免了原料的浪费，环境友好，同时合成出的产物产量高可直
接用作析氢电催化活性材料。
[0005]本专利技术的具体操作过程如下：
[0006]1.将铌粉、硒粉以0.2:1
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0.5:1的摩尔比称量后放入玛瑙研钵中，研磨30min，使铌粉和硒粉均匀混合。将研磨后的铌、硒混合粉末放入压片模具中，经过加压、保压、卸压过程压成高度约为2.5mm的圆片。
[0007]2.将压好的样品圆片放进水平式直流电弧等离子体放电装置内的阳极石墨锅中，阴极为钨棒，调整阴极钨棒和阳极石墨锅的水平轴线重合，阴阳两极间距约1cm。
[0008]3.关闭反应装置，进行抽气—洗气—抽气过程，至少重复三次，洗气后将装置内气压抽至10Pa以下。在冷却循环水和氩气氛围的保护下，将装置内气压升至20
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60kPa。启动电弧电源，设置电流为120
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140A，调整阴阳两极的间距进行引弧，起弧稳定后保持10min直至反应完全，关闭直流弧焊机电源。
[0009]4.在水冷系统和氩气氛围中冷却钝化1
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3h。在阳极石墨锅内收集到含Nb2Se3的灰黑色粉末。
[0010]5.将制备的含类椭球状Nb2Se3的硒化铌材料直接作为活性物质，获得低电荷转移电阻和高电子转移速率的析氢反应催化剂。
[0011]本专利技术比现有技术的优势在于以少铌的条件下制备出类椭球状Nb2Se3，大大减少了原料的消耗，并且制备工艺简单、稳定性高、节约成本、安全环保、可重复性高，一步获得含类椭球状Nb2Se3的硒化铌材料，可直接作为析氢电催化剂。
附图说明
[0012]图1直流电弧等离子体放电装置结构示意图。
[0013]图2类椭球状Nb2Se3和六方(2H)相NbSe2的X射线衍射(XRD)图。
[0014]图3类椭球状Nb2Se3的扫描电子显微镜(SEM)图。
[0015]图4类椭球状Nb2Se3的透射电子显微镜(TEM)图。
[0016]图5类椭球状Nb2Se3的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图。
[0017]图6类椭球状Nb2Se3和六方(2H)相NbSe2的线性扫描伏安特性(LSV)曲线图。
[0018]图7类椭球状Nb2Se3和六方(2H)相NbSe2的塔菲尔(Tafel)曲线图。
具体实施方式
[0019]实施例1直流电弧等离子体放电装置
[0020]图1为直流电弧等离子体放电装置结构示意图。水冷系统的重要性在于：
①
反应前，通入循环冷却水，保证设备安全运转。外层冷却水从进水口2流入，经过整个外层腔体1，并从出水口3流出；内层冷却水从进水口5流入，经过内层水冷套筒4，从出水口6流出；阳极冷却水从进水口7流入，从出水口8流出。
②
反应中，循环水冷区和高温电弧之间产生的温度梯度是产生纯净的NbSe2的必备条件。
③
反应后，水冷系统起到冷却钝化的作用。
[0021]实施例2类椭球状Nb2Se3的制备全过程
[0022]按照摩尔比0.2:1
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0.5:1分别称量铌粉和硒粉，放入玛瑙研钵中研磨30min，使二者均匀混合。把研磨后的混合物放入压片机模具中，压制成高度为2.5mm、直径尺寸为1cm的圆柱形薄片。将圆片放进水平放置的阳极石墨锅中，固定在装置内一侧。阴极钨棒固定在反
应装置内另一侧，与阳极石墨锅的水平轴线重合，调节阴阳两极间距约1cm。封闭反应装置，反复洗气至少三次，将装置内气压抽至10Pa以下。在水冷系统和氩气氛围的保护下将装置内气压升至20
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60kPa。启动电弧电源，设置反应电流为120
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140A，进行起弧放电，反应持续10min后停止放本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种类椭球状三硒化二铌的制备方法，其特征在于：主要步骤如下：(1)将铌粉、硒粉按照摩尔比为0.2:1
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0.5:1的比例混合均匀并压制成片；(2)将压制好的圆片置于水平式直流电弧等离子体放电装置内阴阳极之间，阴极为钨棒，阳极为石墨锅；(3)在水冷系统和惰性气体氛围的保护下，洗气后将气压升至20
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60kPa，设置反应电流为120
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140A，起弧至反应完全，冷却钝化至室温后，可在石墨锅内收集到包含Nb2Se3的灰黑色粉末；(4)将制备的含类椭球状Nb2Se3的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高伟，姬俊丹，丁一凡，王凯，殷红，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：