一种铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂及其制备方法技术

技术编号：40148387 阅读：7 留言：0更新日期：2024-01-24 00:50

本发明专利技术涉及一种铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂及其制备方法。采用浸渍法在泡沫铜上生长Cu(OH)<subgt;2</subgt;纳米线；在Cu(OH)<subgt;2</subgt;纳米线上水热生长Co(OH)<subgt;2</subgt;，得到铜钴氢氧化物/泡沫铜前驱体；将上述铜钴氢氧化物/泡沫铜前驱体进行热氨化处理，得到铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂。采用此方法制备的铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂生长于泡沫铜导电基底上，包括CuN纳米棒以及生长于CuN纳米棒表面的CoN纳米颗粒；呈现出明显的棒颗粒分级结构，整体呈纳米阵列。本发明专利技术催化剂材料制备工艺简易、环保且生产成本低，装置设备简单，可重复性强，在电催化有机合成及新能源领域具有广阔市场应用前景。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电催化领域，具体涉及一种铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂及其制备方法。

技术介绍

1、随着传统化石能源消耗的日益增加，化石燃料必将会枯竭耗尽，同时二氧化碳排放的增加引发一系列全球极端气候变化，这些都是探索可再生能源和追求可持续技术的关键动机。氢能和生物质的开发和利用被认为是当前解决问题的最有希望的重要途径。

2、生物质是地球上唯一可再生的有机碳源，利用生物质开发高附加值产品具有巨大的经济潜力和社会效益。5-羟甲基糠醛(hmf)作为最重要的可再生平台化学物质之一，它是由果糖和葡萄糖等己糖基生物质脱水形成的。它是一种多功能的中间体，可以获得药物合成的原料，以及合成各种商业上有用的酸、醛、醇和胺的重要生物基化学品。通过催化氧化hmf不同位置和不同程度的醛和羟基，可以制备出高质量的生物基平台化学品。最吸引人的是2,5-呋喃二羧酸(fdca)，它具有与石油基单体对苯二甲酸(tpa)相似的化学结构，是合成生物基聚酯聚呋喃二甲酸乙二醇酯(pef)的前驱体。相对于石油基的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)而言，生物基pef的碳足迹较低，且具有可持续性和出色的阻隔性能，它未来极有可能取代包装市场上的pet。

3、传统的氧化hmf生产fdca常用热化学催化法。然而，为了提高转化效率，通常利用化学势作为动力，采用贵金属催化剂在高温(>100℃)和高氧压(0.3-2.0mpa)下进行。这不仅增加了生产成本，而且存在安全隐患。

4、电催化是一种清洁安全的具有发展前景的技术，其操作条件温和、选择性可控且反

5、开发低成本、高活性和高稳定性的双功能电催化剂具有重要意义。过渡金属氮化物(tmns)具有与贵金属元素相似的物理性质和独特的电子结构，被认为是能源相关过程中的高效电催化剂。然而，块状的tmns通常会受限于有限的活性位点数量，缓慢的传质以及不够理想的电化学性能。因此，设计具有可控形貌和良好分散性的纳米结构，即通过优化的设计使tmns具有更大的比表面积，更充足的活性位点以及更短的质荷传输距离，是解决上述问题的有效策略。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种具有可控形貌和良好分散性纳米结构的过渡金属氮化物纳米阵列催化剂。

2、基于上述目的，本申请提供了一种铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂(cucon)的制备方法，技术方案如下：

3、步骤(1)将过硫酸铵、氢氧化钠加入水中并搅拌使其溶解，得到混合溶液，所述混合溶液中过硫酸盐的浓度为0.05～0.15mol/l，所述氢氧化钠的浓度为1.5～3.5mol/l；将经超声处理的泡沫铜浸入所述混合溶液中；在室温下静置5～20分钟，取出泡沫铜后经洗涤、干燥，得到生长有cu(oh)2纳米线的泡沫铜；

4、步骤(2)将钴盐和尿素溶于水中得到前驱体溶液，所述前驱体溶液中钴盐的浓度为0.05～0.1mol/l，尿素的浓度为0.2～0.5mol/l，将所述前驱体溶液转入水热反应釜中，然后将上述生长有cu(oh)2纳米线的泡沫铜浸入所述前驱体溶液中，进行水热反应，然后冷却至室温，取出泡沫铜后经洗涤、干燥，得到生长有铜钴氢氧化物前驱体的泡沫铜；

5、步骤(3)将上述铜钴氢氧化物前驱体进行热氨化处理，得到钴铜双金属氮化物纳米阵列电催化剂(cucon)。

6、采用上述方法制备的铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂，所述铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂生长于泡沫铜导电基底上，包括cun纳米棒以及生长于cun纳米棒表面的con纳米颗粒；呈现出明显的棒颗粒分级结构，整体呈纳米阵列。

7、本专利技术的显著优点：

8、(1)本专利技术的制备方法由简单的浸渍和水热及煅烧组成，工艺过程简单，原料价格低廉，生产成本低，可重复性强；

9、(2)本专利技术所提供的制备方法得到的催化剂直接作为电极材料，其催化活性材料是铜钴双金属氮化物纳米阵列，具有较高的比表面积，可暴露丰富的高活性位点，有利于电催化hmf氧化和析氢反应；

10、(3)泡沫铜的支撑有利于促进电解质与反应底物的扩散和气泡的释放，避免活性位点中毒，同时，基底提高了导电性，这些因素协同增强了该材料在电解液中的电催化能力。

11、(4)本专利技术所提供的催化剂直接作为工作电极，在常温常压条件下，可以有效实现电催化hmf氧化为fdca，表现出优异的hmfor法拉第效率(高于95％)和fdca产率(高于97％)；

12、(5)本专利技术所提供的催化剂剂直接作为工作电极具有优异的循环稳定性，经过8次循环测试仍保持约95％的法拉第效率和97％的fdca产率。

13、(6)本专利技术提供了一种铜钴双金属氮化物纳米阵列催化剂，能在电催化氧化生物质小分子领域有着广泛的应用前景，比如糠醇、糠醛氧化、甲醇氧化，尤其是在电催化氧化5-羟甲基糠醛(hmf)制备2,5-呋喃二甲酸(fdca)有优异的转换率、高的2,5-呋喃二甲酸选择性和高的法拉第效率及其良好的稳定性。在整个反应过程中，装置设备简单，因此具有广阔的市场应用前景。

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【技术保护点】

1.一种铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂的制备方法，所述铜钴双金属氮化物纳米阵列催化剂为CuCoN，方法如下：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶液中过硫酸盐的浓度优选为0.1mol/L，所述氢氧化钠的浓度优选为2.5mol/L。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述静置时间优选为15分钟。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中钴盐的浓度优选为0.075mol/L，尿素浓度优选为0.35mol/L。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应是指将生长有Cu(OH)2纳米线的泡沫铜浸入所述含有钴盐和尿素的前驱体溶液中，在85℃温度水热下密封反应4小时。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热氨化处理为：在常压下将铜钴氢氧化物前驱体置于管式炉温区中心，以氨气作为氮源，升温至300～500℃，恒温1～4h；恒温烧结束，自然冷却至室温，得到铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂。

7.根据权利要求6所述的制备方法，优选地，升温至400℃。

8.根据权利要求6所述的制备方法，优选地，恒温2h。

9.一种铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂，其特征在于，其由权利要求1～6任一项的方法制备而成，所述铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂生长于泡沫铜导电基底上，包括CuN纳米棒以及生长于CuN纳米棒表面的CoN纳米颗粒，呈现出明显的棒颗粒分级结构，整体呈纳米阵列。

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【技术特征摘要】

1.一种铜钴双金属氮化物纳米阵列电催化剂的制备方法，所述铜钴双金属氮化物纳米阵列催化剂为cucon，方法如下：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶液中过硫酸盐的浓度优选为0.1mol/l，所述氢氧化钠的浓度优选为2.5mol/l。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述静置时间优选为15分钟。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中钴盐的浓度优选为0.075mol/l，尿素浓度优选为0.35mol/l。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应是指将生长有cu(oh)2纳米线的泡沫铜浸入所述含有钴盐和尿素的前驱体溶液中，在85℃温度水热下密封反应4...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚刚，蒋小丽，赵麟，刘艳霞，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：

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