[發明專利]一種復合型鈷釩氮化物納米線電催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810405656.X
• 申請日: 2018-04-29
• 公開（公告）號: CN108579788B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 鐘興;李隨勤;王建國
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;C25B1/04;C25B11/06
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 周紅芳

本發明涉及一種復合型鈷釩氮化物納米線電催化劑及其制備方法和應用，屬于電催化領域。其制備方法以鈷、釩金屬鹽和尿素為原料，水為溶劑，碳布為基底，通過水熱法在碳布基底表面負載鈷釩納米線前驅體陣列；再將其浸漬在一定濃度葡萄糖溶液中一段時間，再置于氨氣氣氛中，高溫煅燒，最后置于等離子體反應爐內活化，最終得到復合型鈷釩氮化物納米線催化劑。由于該材料擁有多孔和碳層包覆結構，具有較大的比表面積和良好的導電性，在電催化全分解水反應中具有優越的性能，在電催化析氧反應和電催化析氫反應中其電流密度分別優于商業IrO₂和Pt/C。同時，該工藝操作簡單，催化劑制備成本低、穩定性高，具有很好的工業應用前景。

技術領域

本發明屬于電催化技術領域，具體涉及一種復合型鈷釩氮化物納米線電催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

能源問題是當今社會所面臨的一個重大問題。化石能源在目前的能源結構中占據了非常大的比重，但隨著大量化石能源的消耗，導致了化石能源即將面臨著枯竭以及環境污染問題的日益嚴重，因此，尋找開發清潔新能源是當今研究刻不容緩的問題。新能源包括太陽能，風能，水能，氫能，核能以及生物質能。其中氫氣作為一種高熱值、清潔的能源，具有作為今后主要能源的巨大潛力。在電催化水裂解中，析氫反應（HER）和析氧反應（OER）是兩個重要的半反應，然而，目前商業化應用的HER和OER催化材料主要是Pt、Ru、Ir等貴金屬及其氧化物，這些貴金屬由于儲量少、價格昂貴、易毒化等因素，在很大程度上限制了水裂解反應的發生。因此，開發出可代替的非貴金屬催化劑成為電催化水裂解領域研究的重點。

在水裂解反應中，電極陽極上的OER進行難度較大，其原因在于OER的析氧起始電位較大，析氧所需的電位比平衡電位要大，條件苛刻，為了達到如此高的電極電位，許多金屬電極往往會有溶解現象或表面金屬原子的氧化現象發生，穩定性差。因此，為了改變電極的電化學性能，提高催化活性，設計研發出新型的氧析出反應催化劑吸引了許多研究者（Adv. Mater., 2017, 29, 1604480；ACS Nano., 2016, 10, 2342；Nano Lett., 2015,15, 1421-1427；J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 6878-6883）。而對HER反應催化劑的研究也較多（ACS Catal., 2017, 7, 103；Adv. Mater., 2017, 29, 1605957；Angew. Chem.Int. Ed., 2016, 55, 6290；Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 6251）。近年來，在水裂解研究中，也開發出了許多雙功能催化劑，性能較好（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56,573；Science, 2014, 345, 1593；J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 7245；Adv. Funct.Mater., 2015, 25, 872-882）。

目前，碳基非貴金屬催化劑的研究取得較大進展，主要為N摻雜的各種結構納米碳，例如碳納米管、碳纖維、碳球、介孔碳及其復合碳材料（J. Am. Chem.Soc., 2015, 137,2688；J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 7296；Nat. Mater., 2011, 10, 780）。但這類碳基非貴金屬催化劑在堿性電解質中的催化活性遠低于貴金屬催化劑，催化活性及穩定性有待進一步提高。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種復合型鈷釩氮化物納米線電催化劑及其制備方法和應用，其目的在于提高非貴金屬催化劑在堿性電解質中水分解催化活性和穩定性。

所述的一種復合型鈷釩氮化物納米線電催化劑，其特征在于催化劑為分層多孔納米線結構，其表面設有一層碳碳包覆結構，復合型鈷釩氮化物納米線電催化劑的結構為NC@Co_nV_mN_x/CF，n=1-3，m=1-3。