一种自支撑一维纳米棒阵列复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种自支撑一维纳米棒阵列复合材料及其制备方法和应用，属于清洁能源获取技术领域。本发明专利技术提供的制备方法包括如下步骤：将可溶性镍盐、可溶性钼酸盐与水混合，进行水热反应，得到NiMo前驱体；将所述NiMo前驱体和改性剂在保护气氛下进行热处理，得到所述自支撑一维纳米棒阵列复合材料。实验结果表明，本发明专利技术提供的制备方法制备得到的复合材料具有优异的电催化水分解活性和工作稳定性，且光辅助会进一步提高复合材料的电催化水分解活性，可应用于太阳能驱动电催化水分解。可应用于太阳能驱动电催化水分解。可应用于太阳能驱动电催化水分解。

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑一维纳米棒阵列复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及清洁能源获取
，尤其涉及一种自支撑一维纳米棒阵列复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前，工业社会日益增长的能源需求和难以承受的环境压力，使得发展清洁能源转换和储存技术迫在眉睫。由于太阳能驱动电催化水分解具有较高的理论能量转换效率，被认为是解决能源危机的一个很有前途的选择。贵金属基材料是较为理想的电解水催化剂，然而，天然的稀缺性、高成本和不稳定的特性限制了其进一步的大规模应用。因此，合理开发低成本、高活性和稳定的水分解电催化剂来取代贵金属基材料至关重要。
[0003]设计和提高催化剂催化活性的方法主要有两种。一方面，通过控制形貌(如纳米线、纳米片和异质结构)和生长基底，增加电催化剂的负载活性位点数量、导电性和稳定性来提高催化剂活性；另一方面，提高每个位点的固有催化性能来提高催化剂活性，例如，如界面工程、阳离子工程、缺陷工程和多阴离子工程。
[0004]由于粉体型电催化剂存在负载质量低、易结块、不可避免地使用聚合物粘结剂等局限性，因此，在导电衬底(如金属泡沫、碳布和金属箔)上构建纳米阵列形成自支撑电极被认为是避免粉状材料缺陷的有效策略，不仅可以增加比表面积和催化剂负载量，还可以为电子传输提供“高速”的通道。此外，均匀排列的纳米阵列有利于电解质和气泡的扩散。现阶段，对于多异质界面和多阴离子电催化剂的研究，包括过渡金属碳化物/硼化物/氮化物/氧化物/硒化物/磷化物已被深入研究。在这些电催化剂中，过渡金属磷化材料(TMPs)被认为是一种很有前途的电催化剂，因为它们都具有很高的活性和稳定性，金属磷化材料表面的金属原子和磷原子作为质子和电子的受体中心，改善了这些电催化剂的电子结构。与此同时，过渡金属(TMDCs)，特别是Ni和Mo，由于其较高的电子导电性和理论上较高的催化活性，已成为水分解电催化剂的重要候选者。尽管Ni和Mo的结合有很大的优势，但大多数的NiMo基电催化剂的活性和稳定性仍远未达到实际应用的要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种自支撑一维纳米棒阵列复合材料及其制备方法和应用。本专利技术提供的自支撑一维纳米棒阵列复合材料能够实现NiMo基材料与磷硫化相结合，具有优异的电催化水分解活性和工作稳定性。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种自支撑一维纳米棒阵列复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]将可溶性镍盐、可溶性钼酸盐与水混合，进行水热反应，得到NiMo前驱体；
[0009]将所述NiMo前驱体和改性剂在保护气氛下进行热处理，得到所述自支撑一维纳米棒阵列复合材料。
[0010]优选地，所述可溶性镍盐和可溶性钼酸盐的质量比为(0.605～1.05)：(0.862～
1.362)。
[0011]优选地，所述混合在搅拌的条件下进行；
[0012]所述搅拌的时间为20～50min。
[0013]优选地，所述水热反应的温度为120～180℃，时间为6～12h。
[0014]优选地，所述水热反应完成后，还包括依次进行的洗涤和干燥；
[0015]所述干燥的温度为60～80℃，时间为6～12h。
[0016]优选地，所述改性剂包括次亚磷酸盐和/或硫单质。
[0017]优选地，所述次亚磷酸盐的质量与改性剂总质量的比为(0～1)：1。
[0018]优选地，所述热处理的温度为300～500℃，保温时间为1～3h，升温至所述热处理的温度的升温速率为2～5℃/min。
[0019]本专利技术还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的自支撑一维纳米棒阵列复合材料，所述自支撑一维纳米棒阵列复合材料中纳米棒的表面为改性层；
[0020]所述纳米棒的直径为1.25～2.85μm，所述改性层的厚度为25～80nm；
[0021]所述改性层为磷硫化改性层、磷化改性层或硫化改性层。
[0022]本专利技术还提供了上述技术方案所述的自支撑一维纳米棒阵列复合材料在太阳能驱动电催化水分解中的应用。
[0023]本专利技术提供了一种自支撑一维纳米棒阵列复合材料的制备方法，包括如下步骤：将可溶性镍盐、可溶性钼酸盐与水混合，进行水热反应，得到NiMo前驱体；将所述NiMo前驱体和改性剂在保护气氛下进行热处理，得到所述自支撑一维纳米棒阵列复合材料。本专利技术提供的自支撑一维纳米棒阵列复合材料的制备方法通过对NiMo前驱体进行热处理，使NiMo前驱体表面高温受热后部分组成结构被破坏，脱水/氧化后在纳米棒表面生成大量的Mo氧化物，并与改性剂进行反应，形成多相异质结构，使得自支撑一维纳米棒阵列复合材料不仅继承了NiMo前驱体优良的理化特性，而且经过改性后，产生了丰富的活性位点，可以增强电催化水分解活性；通过热处理后得到的复合材料中改性层和NiMo前驱体之间的牢固界面接触使他们具有更好的界面耦合，进一步改善了离子和电子的传输；通过改性工艺，使活性位点沿着垂直NiMo前驱体纳米棒表面择优生长，形成了光滑均匀的沉积表面，不仅增大了活性表面与电解质的接触面积，而且实现了长时间工作的优异稳定性。实验结果表明，本专利技术提供的自支撑一维纳米棒阵列复合材料的制备方法制备得到的复合材料以1mol/LKOH溶液为电解液进行析氢反应，在电流密度为10mA/cm2～100mA/cm2时，过电势可达到35mV～233mV；以1mol/LKOH溶液为电解液进行析氧反应，在电流密度为10mA/cm2～100mA/cm2时，过电势可达到211.8mV～288mV；以复合材料作为电解池阳极和负极，在1mol/LKOH溶液中进行电催化水分解，在电流密度为10mA/cm2～100mA/cm2时的电压可达到1.391V～1.711V，具有优异的电催化水分解活性和工作稳定性。
[0024]本专利技术通过将NiMo基材料与磷硫化相结合，赋予了复合材料优良的理化特性和丰富的磷硫化活性位点，可以增强复合材料的电催化水分解活性，并且复合材料还可应用于太阳能驱动电催化水分解中，可通过太阳能提高催化活性。实验结果表明，本专利技术提供的自支撑一维纳米棒阵列复合材料在1mol/LKOH溶液中光辅助电催化析氢反应，在电流密度为10mA/cm2～100mA/cm2时，光辅助下的过电势可达到44mV～190mV；在1mol/LKOH溶液中光辅助电催化析氧反应，在电流密度为10mA/cm2～100mA/cm2时，光辅助下的过电势可达到180mV
～242.8mV；在1mol/LKOH溶液中光辅助进行电催化水分解，在电流密度为10mA/cm2～100mA/cm2时，光辅助下的电势可达到1.239V～1.629V，说明光辅助会显著提高复合材料的电催化水分解活性。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例1所制备得到的复合材料的扫描电子显微镜照片；
[0026]图2为本专利技术实施例1～3和对比例制备得到的材料的X射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自支撑一维纳米棒阵列复合材料的制备方法，包括如下步骤：将可溶性镍盐、可溶性钼酸盐与水混合，进行水热反应，得到NiMo前驱体；将所述NiMo前驱体和改性剂在保护气氛下进行热处理，得到所述自支撑一维纳米棒阵列复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性镍盐和可溶性钼酸盐的质量比为(0.605～1.05)：(0.862～1.362)。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述混合在搅拌的条件下进行；所述搅拌的时间为20～50min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为120～180℃，时间为6～12h。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应完成后，还包括依次进行的洗涤和干燥；所述干燥的温度为60～80℃，时间为6～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，程祎焜，任文轩，张丁博，赵知文，熊嘉豪，刘程钰，蔡羿，肖意罡，奚新源，杨孔兵，王硕，
申请(专利权)人：石河子大学，
类型：发明
国别省市：