[發明專利]一種過渡金屬氮化物/碳電催化劑及其制備和應用

有效

• 申請號: 201810477132.1
• 申請日: 2018-05-17
• 公開（公告）號: CN108671953B
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發明（設計）人: 方靜;甘浪;介亞菲;覃富榮;王夢然;賴延清;李劼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;C25B1/04;C25B11/06
• 代理公司: 43114 長沙市融智專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 盛武生;魏娟

本發明涉及化學電源以及電化學催化領域，具體是指一種過渡金屬氮化物/碳電催化劑，包括基底以及包覆基底的殼體；所述的殼體包含氮化銅，還包含碳材料或者摻氮碳材料。本發明還提供了所述的電催化劑的制備方法，預先形成銅的MOF，隨后一步氨化煅燒，制得所述的電催化劑。在堿性環境中的氧氣析出和氫氣析出過程展現了低的過電位，可作為堿性高效電解水的催化劑材料。

技術領域

本發明涉及化學電源以及電化學催化領域，具體是指一種堿性高效過渡金屬氮化物/碳電催化劑的制備方法及其應用。

背景技術

堿性電解水作為一種新型儲能裝置，由于其具有較高比能量、低成本、環境友好、可機械更換等優點，近年來引起國內外科研工作者的注意。堿性電解水裝置由催化劑陽極、堿性電解液、以及催化劑陰極三部分組成。在反應過程中，陽極發生氧氣析出反應(OER)，陰極則發生氫氣析出反應(HER)。OER過程比較復雜，一般認為氧氣析出反應主要有四電子過程，即OH^-直接被氧化成氧氣：4OH^-→O₂+2H₂O+4e^-，E₀＝1.23V；但反應過程中會伴隨著中間產物HO*、H*、O*、HOO*等生成。HER過程較為簡單：2H₂O+2e^-→2OH^-+H₂，E₀＝0V。目前貴金屬被認為是堿性電解液體系中最好的電解水催化劑，具有較強的電催化活性，但由于其價格昂貴以及在堿性環境中活性易退化等缺點限制了它的應用。目前電解水電催化劑研究的方向傾向于非貴金屬，非貴金屬催化劑以其相對低廉的成本及良好的催化活性，漸漸引起越來越多的人進行研究。

非貴金屬催化劑有很多，其中過渡金屬氮化物、氧化物硫化物被廣泛研究，而對于金屬化合物與碳材料的復合材料研究甚少。曾有文章報道(ACS Appl.Mater.Interfaces2017，10，417-426)Ni與Co及其氧化物與泡沫鎳，該材料屬于一種負載型催化劑，Ni與Co以及其氧化物均負載在泡沫鎳上，該催化劑材料具有較好的析氧反應催化活性。

再如，公開號為CN107855128A的中國專利文獻公開了一種硫化鈷錳電催化劑的制備方法，包括以下特征步驟：i、稱取鈷鹽、錳鹽和尿素，并將稱取的鈷鹽、錳鹽和尿素溶于水中，攪拌獲得混合均勻的溶液；ii、將所述溶液與載體一同置于反應釜中進行水熱反應，得到擔載型碳酸鈷錳；iii、將擔載型碳酸鈷錳置于含硫化劑的水溶液中進行硫化反應，即得到擔載型硫化鈷錳。該發明只獲得了單一優異的析氫或析氧性能。

綜上分析，現有比較解決的技術，催化劑材料主要存在只具有單一的析氫或析氧性能，且在氫氣析出反應和氧氣析出反應中具有較大的過電勢。

發明內容

為解決現有技術的技術問題，本發明第一目的在于，提供一種過渡金屬氮化物/碳電催化劑(本發明也簡稱電催化劑或者催化劑)，旨在提供一種具有較低過電位，具有優異的OER和HER雙重催化性能的過渡金屬氮化物/碳電催化劑。

本發明第二目的在于，提供一種所述的過渡金屬氮化物/碳電催化劑的制備方法，旨在制得所述原位逐層包覆的過渡金屬氮化物/碳電催化劑。

本發明第三目的在于，提供一種所述的過渡金屬氮化物/碳電催化劑的應用。

一種過渡金屬氮化物/碳電催化劑，包括基底以及包覆基底的殼體；

所述的殼體包含氮化銅，還包含碳材料或者摻氮碳材料。

本發明所述的電催化劑，具有優異的電催化性能，特別是通過摻碳氮化銅的殼體材料的作用，可出人意料地明顯提升得到的HER性能。

本發明所述的殼體材料中包含碳材料或者摻氮碳材料。也即是，所述的殼體材料為氮化銅和碳材料的混合物，或者為氮化銅和摻氮碳材料的混合物。