[發(fā)明專利]一種復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810912944.4
• 申請(qǐng)日: 2018-08-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108950597B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 熊杰;馮柳;黃建文;杜新川;李瑤瑤;鄔春陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C25B11/06
• 分類號(hào): C25B11/06;C25B1/04;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發(fā)明提供一種復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于催化劑制備技術(shù)領(lǐng)域。該復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒由自生長(zhǎng)于導(dǎo)電基底的氮化鎳/磷化鎳納米顆粒構(gòu)成，其主要特征在于：1.氮化鎳與磷化鎳都擁有很好的導(dǎo)電性，起到很好的電子傳輸作用；2.磷化鎳原位生長(zhǎng)于氮化鎳表面，在將氮化鎳磷化的過(guò)程中存在自摻雜效應(yīng)，優(yōu)化材料內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)，提升活性；3.氮化鎳與磷化鎳晶粒緊密連接形成的復(fù)合界面存在強(qiáng)相互作用，促進(jìn)催化活性的提升；4.復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒負(fù)載于導(dǎo)電基底，可當(dāng)做電極直接使用。該復(fù)合結(jié)構(gòu)材料具有低成本、易于大量制備、具有高催化活性與持續(xù)電解穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于催化劑制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒材料及其制備方法，以及在電催化析氧反應(yīng)中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

電解水制氫是一種很有前景的經(jīng)濟(jì)、綠色的氫能源開(kāi)發(fā)技術(shù)，電催化劑驅(qū)動(dòng)電極發(fā)生析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)來(lái)制備氫氣，持續(xù)性的生成反應(yīng)就需要電催化劑具有高效穩(wěn)定的性能，因此，設(shè)計(jì)合成高性能的電催化劑是發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)的首要因素。電化學(xué)析氧反應(yīng)由于復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程和大的能量勢(shì)壘等動(dòng)力學(xué)問(wèn)題產(chǎn)生了較大的過(guò)電位，增加了能量損耗。為了提高整體電解水制氫效率，開(kāi)發(fā)高效的電催化劑對(duì)于推進(jìn)電解制氫的低成本、規(guī)模化具有重大意義。

近年來(lái)，為降低催化劑材料制備成本，高效非貴金屬催化劑的開(kāi)發(fā)成為熱點(diǎn)。研究表明單一材料作為催化劑滿足不了高活性的需求(J.Mater.Chem.A 2015,3,8171–8177)，為進(jìn)一步提升材料活性，擴(kuò)大應(yīng)用前景，許多研究者利用簡(jiǎn)單有效的離子摻雜或表面修飾手段調(diào)節(jié)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)制備復(fù)合催化劑。但是很多報(bào)道的材料不能兼顧材料的簡(jiǎn)易制備與電解過(guò)程的高活性、高穩(wěn)定性(Adv.Energy Mater.2016,6,1601172；Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,1-6；Adv.Energy Mater.2017,7,1702734)。另外，粉末材料相比于自生長(zhǎng)于導(dǎo)電基底的材料增加了后期材料處理的復(fù)雜度。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒，并將其作為電解水析氧反應(yīng)的催化劑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)研究現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，提出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒材料及其制備方法和應(yīng)用。該復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒由自生長(zhǎng)于導(dǎo)電基底的氮化鎳和磷化鎳納米顆粒構(gòu)成，其主要特征在于：1、氮化鎳與磷化鎳都擁有很好的導(dǎo)電性，起到很好的電子傳輸作用；2、磷化鎳原位生長(zhǎng)于氮化鎳表面，在將氮化鎳磷化的過(guò)程中存在自摻雜效應(yīng)，優(yōu)化材料內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)，提升活性；3、氮化鎳與磷化鎳晶粒緊密連接形成的復(fù)合界面存在強(qiáng)相互作用，促進(jìn)催化活性的提升；4、復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒負(fù)載于導(dǎo)電基底，可當(dāng)做電極直接使用；5、氮化鎳為Ni₃N，磷化鎳為Ni₂P、Ni₅P₄中的至少一種。該復(fù)合結(jié)構(gòu)材料具有低成本、易于大量制備、具有高催化活性與持續(xù)電解穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒材料，其特征在于，所述納米顆粒材料表面和內(nèi)部帶孔洞的氮化鎳顆粒，以及生長(zhǎng)于氮化鎳顆粒表面和孔壁上的磷化鎳，所述氮化鎳顆粒的直徑為50～500nm，磷化鎳顆粒的直徑為5～15nm，孔洞直徑為20～300nm，所述氮化鎳為Ni₃N，磷化鎳為Ni₂P、Ni₅P₄中的至少一種。

一種復(fù)合結(jié)構(gòu)納米顆粒材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：在導(dǎo)電基底上制備Ni₃N納米顆粒；

步驟2：將步驟1得到的負(fù)載有Ni₃N的導(dǎo)電基底放入石英管加熱中心，將5～400mg磷源放入石英管上游區(qū)域，距離石英管加熱中心5～15cm處；

步驟3：將石英管內(nèi)部抽真空至0.1Pa以下，然后通入惰性氣體使管內(nèi)氣壓保持常壓環(huán)境，再持續(xù)通入惰性氣作為載氣流；