一种氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁-磷掺杂的碳化细菌纤维素及制备方法技术

本发明专利技术一种氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁

【技术实现步骤摘要】
一种氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂的碳化细菌纤维素及制备方法


[0001]本专利技术属于电催化剂制备领域，具体为一种氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂的碳化细菌纤维素及制备方法
。

技术介绍

[0002]氢气是清洁能源，有希望实现清洁生产与可持续供应，能解决能源危机和环境问题
。
在众多制备氢方法中，最有前景的一种方式是电解水
。
电解水包含了阳极析氧
(OER)
和阴极析氢
(HER)
这两个半反应，具有较大的过电位，使得电解水在实际的应用过程中需要额外施加较大的电势，这严重限制了电解水的大规模应用
。
目前，
HER
和
OER
的高效催化剂通常采用的是贵金属铂
(Pt)
和氧化钌
(RuO2)、
氧化铱
(IrO2)
，但是这些优异的催化剂成本高
、
储量低，使其商业化应用受限
。
因此，开发低成本
、
高活性的非贵金属催化剂是推动电解水发展的关键技术难题
。
[0003]Fe、Co
和
Ni
等过渡金属具有独特的电子结构，尤其是金属氧化物和层状双氢氧化物等材料更是被认为具有潜力替代贵金属催化剂的材料
。
对于析氧反应来说，反应总是发生在材料表面，氧化物和层状双氢氧化物不良的固有导电率是析氧反应中电子传递的最大阻碍
。
研究发现，碳基载体具有优异的导电性，可以作为催化剂材料的电子传输载体
。
而且，相比于金属氧化物，过渡金属磷酸盐表现出更优异的催化性能
。
现阶段报道的载体催化剂往往使用了氧化石墨烯
、
碳纳米管等价格较为昂贵的碳材料，不利于催化剂的商业化应用
。
因此基于以上分析，合成具有碳基载体负载的过渡金属催化剂被认为是一种促进制氢效率，加速催化剂商业化的有效手段
。
因此，开发一种催化活性高，廉价易得的催化剂是一个亟需解决的问题
。
[0004]在目前最先进的非贵金属催化剂中，镍铁基电催化剂已被开发用于
HER、OER
，甚至生物质电催化转化，特别是镍铁磷酸盐，由于其低成本
、
可调电子学和氧化还原特性，无疑是最有前途的催化剂
。
然而，与已报道的电催化剂一样，必须进一步提高它们的电催化活性，以降低电解槽所需的总电能，提高制氢效率
。
电催化性能与暴露的活性位点和这些位点的内在活性密切相关
。
因此，可以通过合理的表面电子调制和结构设计来构建具有优异性能的电催化剂
。
具体来说，杂原子掺杂
(
尤其是阳离子掺杂
)
形成的吸电子或供电子中心在调整这些电催化剂的电子结构和诱导结构转变以提高其电催化性能方面发挥着关键作用
。
[0005]普鲁士蓝类似物
(PBA)
成本低
、
合成方便
、
成分可调，是最有前途的电催化剂前体之一
。
此外，在
PBA
中掺杂杂原子可实现成分的可控调节，对其微观形态的影响微乎其微，有利于电催化剂的构建
。
遗憾的是，
PBA
的热解会导致微观结构严重收缩和催化剂团聚，减少活性位点的暴露，导致电解质润湿性不足和稳定性降低
。
虽然一些研究集中在通过导电基质
(
如碳布
、Ni
泡沫
、
氧化石墨烯等
)
直接生长
PBA
，但这些导电基质表面的化学性质通常是化学惰性的，需要额外的操作，使它们与金属离子配合生长
PBA。
因此，寻找一种简单的策略在三维多孔网络中锚定
PBA
进而促进其衍生催化剂的整体性能是非常必要的
。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂的碳化细菌纤维素及制备方法，显著提升了催化剂的性能，降低了电解水所需要的外加电势，提高了电解水制备高纯氢气的效率
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂的碳化细菌纤维素的制备方法，包括如下步骤：
[0009]S1
，将硝酸镍
、
硝酸锰和柠檬酸三钠溶解在去离子水中，硝酸镍和硝酸锰的摩尔比为
(1.7
～
1.95)
：
(0.3
～
0.05)
，得到混合溶液；
[0010]S2
，将细菌纤维素浸渍到混合溶液中，加入铁氰化钾的水溶液，铁氰化钾和硝酸镍的摩尔比为
(1.5
～
2.5)
：
(1.7
～
1.95)
，经过室温沉化得到锰掺杂的镍铁普鲁士蓝类似物
/
细菌纤维素复合材料；
[0011]S3
，将锰掺杂的镍铁普鲁士蓝类似物
/
细菌纤维素复合材料和
NaH2PO2·
H2O
升温至
250
～
300℃
，
NaH2PO2·
H2O
与
S1
中硝酸锰的摩尔比为
(25
～
30)
：
(0.3
～
0.05)
，保持1～
3h
，随后升温至
700
～
900℃
后保温，得到氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂的碳化细菌纤维素
。
[0012]优选的，
S1
中，柠檬酸三钠和硝酸锰的摩尔比为
(2.5
～
3.5)
：
(0.3
～
0.05)。
[0013]优选的，
S1
中，硝酸镍和去离子水的比例为
(1.7
～
1.95)mmol
：
50mL。
[0014]优选的，
S2
中，细菌纤维素在混合溶液中浸渍
1.5
～
2.5h。
[0015]优选的，
S2
的铁氰化钾的水溶液中，铁氰化钾和去离子水的比例为
1.5
～
2.5mmol
：
20mL。
[0016]优选的，
S2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂的碳化细菌纤维素的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1
，将硝酸镍
、
硝酸锰和柠檬酸三钠溶解在去离子水中，硝酸镍和硝酸锰的摩尔比为
(1.7
～
1.95)
：
(0.3
～
0.05)
，得到混合溶液；
S2
，将细菌纤维素浸渍到混合溶液中，加入铁氰化钾的水溶液，铁氰化钾和硝酸镍的摩尔比为
(1.5
～
2.5)
：
(1.7
～
1.95)
，经过室温沉化得到锰掺杂的镍铁普鲁士蓝类似物
/
细菌纤维素复合材料；
S3
，将锰掺杂的镍铁普鲁士蓝类似物
/
细菌纤维素复合材料和
NaH2PO2·
H2O
升温至
250
～
300℃
，
NaH2PO2·
H2O
与
S1
中硝酸锰的摩尔比为
(25
～
30)
：
(0.3
～
0.05)
，保持1～
3h
，随后升温至
700
～
900℃
后保温，得到氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂的碳化细菌纤维素
。2.
根据权利要求1所述的氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂的碳化细菌纤维素的制备方法，其特征在于，
S1
中，柠檬酸三钠和硝酸锰的摩尔比为
(2.5
～
3.5)
：
(0.3
～
0.05)。3.
根据权利要求1所述的氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂的碳化细菌纤维素的制备方法，其特征在于，
S1
中，硝酸镍和去离子水的比例为
(1.7
～
1.95)mmol
：
50mL。4.
根据权利要求1所述的氮磷共掺杂碳包裹的锰掺杂的磷酸镍铁
‑
磷掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张素风，魏宁，姚雪，冯瑶，周秋生，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：