一种氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的制备方法，该方法为：0℃下，将金属酸盐、过渡金属氧化物和含氮高分子聚合物单体加入至0.1mol/L的盐酸水溶液中，超声分散，得到混合液A；0℃下，将引发剂水溶液滴加至混合液A中反应搅拌，收集固体物质，洗涤后，鼓风干燥，得到反应前体；氮气气氛下，将反应前体高温煅烧处理，得到煅烧后产物；高温煅烧处理的条件为：以1～10℃/min将温度从室温升至50～1000℃，恒温处理1～8h，自然冷却至室温；将煅烧后产物洗涤后，鼓风干燥12h，得到氮掺杂碳负载双金属碳化物材料。还提供了应用，在用于电解重水阴极析氘、阳极析氧和全解重水反应中。本发明专利技术制备的材料能用于电催化水/重水分解。本发明专利技术制备的材料能用于电催化水/重水分解。本发明专利技术制备的材料能用于电催化水/重水分解。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于电催化
，具体涉及一种氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]可持续能源是消除当今社会对化石能源过度依赖以及化石能源消耗带来的过量碳排放的重要工具，但可持续能源的储存、利用及转化技术仍存在很大的进步空间。由于氢气具有超高能量密度和零污染的特性，长期以来一直被广泛认为是一种理想的能量载体。通过电化学手段实现水分解制备高纯绿色氢气是一种有效的将可持续能源转化为清洁化学能的方式，但该过程受制于实际反应中较高的过电势及商业催化剂(二氧化钌、二氧化铱和铂)高昂的价格。
[0003]另外，氘作为氢的一种同位素，性质与氢相同，但其在海洋中含量仅为0.0156％。高纯氘气通常采用于电化学水分解相似的电化学重水分解途径进行制备，且在工业及科研领域有着极为重要的应用，可作为核子加速器轰击离子、集成电路制造用电子气体以及氢反应机理示踪剂等。
[0004]理想情况下，整合阴(析氢/氘反应)阳(析氧反应)两极端电催化剂的优势，设计、构建低成本、高效的双功能电催化剂来实现水以及重水的分解不仅可以提高系统的性能，还可以简化系统，降低总成本。过渡金属基材料由于其在地球中丰富的储量及催化析氢/氘与析氧反应的潜力有望替代贵金属催化材料，但仍有诸多如高过电势、低稳定性等问题亟待解决。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的制备方法及其应用，该方法制备的氮掺杂碳负载双金属碳化物材料能用于电催化水/重水分解。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的制备方法，该方法为：
[0007]S1、在温度为0℃的冰浴条件下，将金属酸盐、过渡金属氧化物和含氮高分子聚合物单体加入至浓度为0.1mol/L的盐酸水溶液中，超声分散均匀，得到混合液A；
[0008]S2、在温度为0℃的冰浴条件下，将引发剂水溶液滴加至S1中得到的混合液A中，反应搅拌12h～14h，收集固体物质，依次经过去离子水、乙醇、甲醇和去离子水洗涤后，在温度为40℃～80℃的条件下鼓风干燥6h，得到反应前体；
[0009]S3、在氮气气氛下，将S2中得到的反应前体进行高温煅烧处理，得到煅烧后产物；所述高温煅烧处理的条件为：以1℃/min～10℃/min的升温速率将温度从室温升至500℃～1000℃，然后恒温处理1h～8h后，自然冷却至室温；
[0010]S4、将S3中得到的煅烧后产物依次经过去离子水、乙醇、甲醇、去离子水洗涤后，在
温度为40℃～80℃的条件下鼓风干燥12h，得到氮掺杂碳负载双金属碳化物材料。
[0011]优选地，S1中超声分散的时间为10min～20min。
[0012]优选地，S1中所述金属酸盐为(NH4)6Mo7O
24
·
4H2O，所述过渡金属氧化物为四氧化三钴；所述含氮高分子聚合物单体为苯胺。
[0013]优选地，所述金属酸盐、过渡金属氧化物和含氮高分子聚合物单体的用量比为2.3mmol：(90～150)mg：5mmol。
[0014]优选地，S2中所述引发剂水溶液为0.6mol/L的过硫酸铵水溶液。
[0015]优选地，S4中所述氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的粒径为2nm～8nm。
[0016]优选地，S4中所述氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的载体为氮掺杂碳，所述氮掺杂碳的表面局部具有小球状形貌，所述氮掺杂碳的内部均匀地包覆着直径为1nm～15nm大小的双金属碳化物颗粒。
[0017]本专利技术还提供了上述的制备方法制备的氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的应用，其特征在于，所述氮掺杂碳负载双金属碳化物材料在电解重水阴极析氘、阳极析氧和全解重水反应中的应用。
[0018]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
[0019]1、本专利技术提供一种在氮掺杂碳载体上合成超小尺寸、均匀分散的同质双金属碳化物材料，一方面利用过渡金属氧化物与金属酸盐来制备高度分散的活性位点提升电催化析氢/氘和析氧反应活性；另一方面，通过氮掺杂碳载体对反应活性位点进行保护以减弱电解液对催化剂的腐蚀实现稳定性的增强。
[0020]2、本专利技术制备的氮掺杂碳负载双金属碳化物材料中高度分散的超小尺寸双金属碳化物纳米颗粒提高电化学活性面积提升电催化析氢/氘和析氧反应活性；氮掺杂碳载体包裹双金属碳化物纳米颗粒保护活性位点，增加催化材料在电化学过程的稳定性；与异相双金属碳化物催化剂相比，均相双金属碳化物催化剂免于不利的相分离，其更有利于电荷转移和有效地调节3d电子结构。
[0021]3、本专利技术制备的氮掺杂碳负载超小尺寸双金属碳化物材料催化电解水析氢反应时，过电位为220mV可达到50mAcm
‑2的电流密度；催化析氧反应时，过电位为319mV可达到50mAcm
‑2的电流密度。所述材料在催化电解重水析氘反应仅需235mV可达到50mAcm
‑2的电流密度；析氧反应中仅需327mV可达到即可获得50mAcm
‑2的电流密度；上述性能优于大部分过渡金属基电解水/重水催化材料，并且具有大规模生产潜力，应用前景良好。
[0022]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。
附图说明
[0023]图1为实施例1所得氮掺杂碳负载超小尺寸双金属碳化物材料的扫描电镜照片。
[0024]图2为实施例1所得氮掺杂碳负载超小尺寸双金属碳化物材料的透射电镜照片。
[0025]图3为实施例1
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3所得的氮掺杂碳负载超小尺寸双金属碳化物材料与对比例1
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2制得的氮掺杂碳负载超小尺寸碳化钼材料、氮掺杂碳负载钴单质材料的XRD图。
[0026]图4为实施例1
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3所得的氮掺杂碳负载超小尺寸双金属碳化物材料与对比例1
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2制得的氮掺杂碳负载超小尺寸碳化钼材料、氮掺杂碳负载钴单质材料在电解水析氢反应中的线性扫描伏安法测量曲线。
[0027]图5为实施例1
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3所得的氮掺杂碳负载超小尺寸双金属碳化物材料与对比例1
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2制得的氮掺杂碳负载超小尺寸碳化钼材料、氮掺杂碳负载钴单质材料在电解水析氧反应中的线性扫描伏安法测量曲线。
[0028]图6为实施例1
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3所得的氮掺杂碳负载超小尺寸双金属碳化物材料与对比例1
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2制得的氮掺杂碳负载超小尺寸碳化钼材料、氮掺杂碳负载钴单质材料在电解重水析氘反应中的线性扫描伏安法测量曲线。
[0029]图7实施例1
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3所得的氮掺杂碳负载超小尺寸双金属碳化物材料与对比例1
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2制得的氮掺杂碳负载超小尺寸碳化钼材料、氮掺杂碳负载钴单质材料在电解重水析氧反应中的线性扫描伏安法测量曲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的制备方法，其特征在于，该方法为：S1、在温度为0℃的冰浴条件下，将金属酸盐、过渡金属氧化物和含氮高分子聚合物单体加入至浓度为0.1mol/L的盐酸水溶液中，超声分散均匀，得到混合液A；S2、在温度为0℃的冰浴条件下，将引发剂水溶液滴加至S1中得到的混合液A中，反应搅拌12h～14h，收集固体物质，依次经过去离子水、乙醇、甲醇和去离子水洗涤后，在温度为40℃～80℃的条件下鼓风干燥6h，得到反应前体；S3、在氮气气氛下，将S2中得到的反应前体进行高温煅烧处理，得到煅烧后产物；所述高温煅烧处理的条件为：以1℃/min～10℃/min的升温速率将温度从室温升至500℃～1000℃，然后恒温处理1h～8h后，自然冷却至室温；S4、将S3中得到的煅烧后产物依次经过去离子水、乙醇、甲醇、去离子水洗涤后，在温度为40℃～80℃的条件下鼓风干燥12h，得到氮掺杂碳负载双金属碳化物材料。2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的制备方法，其特征在于，S1中超声分散的时间为10min～20min。3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳负载双金属碳化物材料的制备方法，其特征在于，S1中所述金属酸盐为(NH4)6Mo7O<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥军，董志恒，郑凯天，张人仁，尚青，申永明，李绍波，许春建，
申请(专利权)人：中船邯郸派瑞特种气体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：