超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料及其制备方法和应用，制备方法为：在搅拌下镍源、钼源和有机配体混合在溶剂中，加入泡沫镍后，加热反应，得到在泡沫镍上生长的前驱体；进行退火，制得超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料。其在析氢反应、尿素氧化反应和尿素全解反应的催化性能要远好于商业Pt/C和RuO2，具有良好的催化能力且具有超高的循环稳定性。化能力且具有超高的循环稳定性。化能力且具有超高的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于无机纳米材料领域和催化剂制备研究领域，具体为超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料及其制备方法和应用；通过先水热后退火的方法，将Ni纳米颗粒还原镶嵌在NiMoO4纳米棒上，能用于促进HER、UOR和尿素全解三功能反应，催化活性高。

技术介绍

[0002]氢作为一种可再生的绿色燃料，在缓解能源危机和环境问题方面发挥着至关重要的作用。目前工业上的一些制氢方法仍然少不了对化石燃料的依赖，而且会排放二氧化碳等温室气体。电解水制氢作为一种零碳排放的生产氢气的方式而广受关注。碱性水电解因其设备要求便宜，有效避免酸雾和腐蚀，而更受欢迎。电化学水分解由析氢反应(HER)和析氧反应(OER)两个半反应组成。Pt因其优异的活性和高电流密度，一直被认为是HER最好的电催化剂。目前OER催化剂商业应用仍是以Ru基在内的贵金属材料。遗憾的是，贵金属的稀缺性、高成本和功能单一性阻碍了其大规模应用。
[0003]阳极析氧反应，动力学缓慢，需要相当高的过点位，导致能耗较高。为了解决这一问题，用其他更容易发生的阳极反应来取代OER对于降低产氢所需的潜力和整体能源成本具有重大意义。尿素氧化反应(UOR)的理论电压0.37V远低于水氧化反应的理论电压1.23V。通过提高阳极反应催化动力学从而加快整体水分解反应，有效提高制氢效率。其中，尿素作为工业、农业和生活中常见的物质，通过尿素氧化反应替代析氧反应也为净化富尿废水提供了前景。但尿素氧化反应涉及到六电子转移过程，产物包含N2和CO2，虽然热力学势能低但内在反应速率缓慢。因此，利用UOR节能制氢和净化富尿废水迫切需要开发出高效催化剂。
[0004]目前，鲜有实现析氢反应、尿素氧化反应和全尿素水解反应的高效催化剂。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料及其制备方法，利用先水热后退火的方法，通过高温氢气还原的方法，将Ni纳米颗粒还原镶嵌在NiMoO4纳米棒上，制备方法简单，成本低。
[0006]本专利技术还有一个目的在于提供超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料的应用，作为析氢反应、尿素氧化反应、全解水和全尿素水解反应三功能高效催化剂的应用。
[0007]本专利技术具体技术方案如下：
[0008]一种超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)镍源、钼源和有机配体混合在溶剂中，加入泡沫镍后，加热反应，得到在泡沫镍上生长的前驱体；
[0010]2)步骤1)产物退火，制得超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料。
[0011]步骤1)中，所述镍源、钼源、有机配体和溶剂的物质的量比为(10～30):(1～5):(5～20)；更优选为15:2:12。
[0012]步骤1)中，所述镍源为可溶性镍盐；优选为六水合硝酸镍Ni(NO3)2·
6H2O；
[0013]步骤1)中，所述钼源为可溶性钼盐；优选为四水合钼酸铵(NH4)6Mo7O
24
·
4H2O；
[0014]步骤1)中，所述有机配体选自2
‑
甲基咪唑；
[0015]步骤1)中，所述溶剂选自水，优选为去离子水；
[0016]步骤1)中，所述镍源在溶剂中浓度为0.05
‑
0.2M；
[0017]步骤1)中，所述加热反应在60℃
‑
150℃的温度下反应5h
‑
24h；优选为90℃反应8小时；
[0018]步骤1)中，加热反应结束后，待反应自然冷却后，取出上面有产物的泡沫镍，用去离子水和乙醇清洗3
‑
5次冲洗以除去杂质，自然干燥后，得到淡黄色的前驱体，保留备用；
[0019]步骤2)中，所述退火是指：含有氢气和氩气的混合气氛下退火，升温速率为1
‑
5℃/min，升温至450
‑
550℃，退火时间2
‑
3h；氢气体积占比为5％
‑
15％；优选退火条件为：升温速率为5℃/min，升温到退火温度500℃，退火时间为2h；氢气和氩气的混合气氛中，氢气体积比为5％；如果在纯Ar气中进行还原，性能会极差。
[0020]步骤2)中，退火后，自然冷却后的产物为黑色。
[0021]本专利技术提供的超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料，采用上述方法制备得到，所述超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上；纳米棒长度范围10
‑
30μm，为针尖状纳米棒，一端细一端粗，纳米棒中部宽度200
‑
300nm左右；超稳态Ni纳米颗粒尺寸在10
‑
60nm，优选为30
‑
40nm。
[0022]本专利技术提供的超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料在电解水析氢反应HER中的应用；具体在1M KOH电解质溶液中析氢反应的过电位远低于商业Pt/C催化剂，过电位越低，催化性能越好。
[0023]本专利技术提供的超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料在尿素溶液中尿素氧化反应(UOR)中的应用。
[0024]本专利技术提供的超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料在全解水和尿素全解中的应用。
[0025]本专利技术通过先水热后退火的方法，将Ni纳米颗粒还原镶嵌在NiMoO4纳米棒上，第一步水热在泡沫镍上生长出光滑的针尖形纳米棒，产物NiMoO4·
xH2O的形貌基本上都是纳米棒，或者纳米阵列；第二步高温氢氩退火使部分Ni元素以Ni颗粒的形式被还原镶嵌在纳米棒上，同时纳米棒表面不再光滑。这种在导电泡沫镍上原位生长的方式能有效降低电催化剂与电解质之间的电荷转移电阻，从而增强电子传输效率。形成的具有高度表面粗糙度的纳米颗粒
‑
纳米棒结构，不仅暴露了丰富的活性位点，而且避免了催化过程中的催化剂聚集现象，有利于提高催化剂的催化活性和稳定性。并且，在催化剂的催化效率上与商业贵金属催化剂相比有显著优势。本专利技术将Ni纳米颗粒还原镶嵌在NiMoO4纳米棒上，纳米棒
‑
纳米颗粒的结构能有效避免催化过程中的催化剂聚集现象，有利于提升材料的稳定性，使得Ni
‑
NiMoO4在具有高活性的同时也保持高稳定性。
[0026]与现有技术相比，本专利技术通过先水热后退火的两步反应，首先合成表面光滑的针
尖形纳米棒，进而生长出嵌入式纳米颗粒于纳米棒上，高温退火后使纳米棒表面由光滑变成高度粗糙，增大了催化剂表面积，暴露出更多的催化活性位点。本专利技术催化剂制备方法简单，无任何贵金属原料的加入；催化剂在HER催化、尿素氧化(UOR)催化和尿素水解催化中性能出色；对多种反应具有良好的催化能力且具有超高的循环稳定性。对于碱性HER催化反应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)在搅拌下镍源、钼源和有机配体混合在溶剂中，加入泡沫镍后，加热反应，得到在泡沫镍上生长的前驱体；2)步骤1)产物退火，制得超稳态Ni纳米颗粒还原镶嵌在钼酸镍纳米棒上的材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述镍源、钼源和有机配体的物质的量比为(10～30):(1～5):(5～20)。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述镍源为可溶性镍盐；所述钼源为可溶性钼盐。4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述镍源为六水合硝酸镍；所述钼源为四水合钼酸铵。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述有机配体选自2
‑
甲基咪唑。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：房彩虹，李冉，汪欣，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：