[發明專利]一種氮磷共摻雜的多孔碳片/過渡金屬磷化物復合材料的制備方法及應用

有效

• 申請號: 201811221982.1
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109569683B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 張建民;李勇盛;董玉濤;李丹;張巖;韋瑞鵬
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;C25B11/091;C25B11/073
• 代理公司: 鄭州紅元帥專利代理事務所(普通合伙) 41117
• 代理人: 宋巧蘭

本發明提供了一種氮磷共摻雜的多孔碳片/過渡金屬磷化物復合材料的制備方法，該制備方法采用一種簡易且新穎的“自我模板和重結晶自我組裝”策略，一步合成過渡金屬基磷化物封裝在氮磷共摻雜的多孔碳片中。本發明制備方法簡單，可大規模生產氮磷共摻雜的多孔碳片/過渡金屬磷化物復合材料，并且作為催化劑應用于電催化析氫反應中。

技術領域

本發明屬于催化劑制備技術領域，特別涉及一種氮磷共摻雜的多孔碳片/過渡金屬磷化物復合材料的制備方法，及制備的該復合材料在電催化析氫反應中作為陰極析氫催化劑的應用。

背景技術

自20世紀70年代初以來，分子氫（H₂）一直被認為是一種能量載體。實現H₂作為能量載體是理想的，因為它是每單位質量能量密度最高的分子，當在發動機中燃燒或在燃料電池中轉化為電能時，它作為能量載體只產生副產品水。相比之下，碳基燃料產生水和二氧化碳。

盡管氫是地球上最豐富的元素，但它不是作為游離分子存在的，因此，需要有效且可持續的H₂生產技術。今天，大多數H₂是通過蒸汽重整過程從化石資源中產生的，其中蒸汽與碳氫化合物反應產生H₂和CO₂。這種H₂生產方法消耗化石燃料并且排放CO₂。一種清潔和可再生的H₂生產方法是使用可再生能源，特別是太陽能電解水。電化學水分解，首次觀察于1789年，是分為兩個半電池反應：析氫反應（HER）和析氧反應（OER）。 HER和OER需要催化劑來降低電化學過電位（過電位是給定電化學反應的熱力學勢和實際應用所需的電位之間的差異）。 鉑族金屬是最有效的催化劑，但是，這些貴金屬在地球上是非常稀缺的，不能規模化的用于HER反應來產生H₂。因此研究一種環境友好、價格低廉、儲量豐富的析氫反應電催化劑非常重要。近年來，過渡金屬基磷化物因其高效的催化性能受到了國內外學者的密切關注。盡管如此，過渡金屬基磷化物似乎沒有得到充分的探索，可能是因為缺乏合適和可行的制備方法。此外，目前的磷化物合成路線通常很復雜，需要使用次磷酸鈉（NaH₂PO₂）或高沸點有機溶劑作為磷源。因此，這些方法對于低成本大規模生產不具有競爭力。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種氮磷共摻雜的多孔碳片/過渡金屬磷化物復合材料的制備方法，該制備方法采用一種簡易且新穎的“自我模板和重結晶自我組裝”策略，一步合成過渡金屬基磷化物封裝在氮磷共摻雜的多孔碳片中。本發明制備方法簡單，可大規模生產氮磷共摻雜的多孔碳片/過渡金屬磷化物復合材料，并且作為催化劑應用于電催化析氫反應中。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種氮磷共摻雜的多孔碳片/過渡金屬磷化物復合材料的制備方法，該制備方法具體為：將過渡金屬醋酸鹽溶解于水中，配制過渡金屬醋酸鹽溶液，往過渡金屬醋酸鹽溶液中加入碳源，攪拌溶解，再加入含有磷酸基團的磷源，一直攪拌，直至從漿液狀態變成固態狀態，然后干燥；將干燥好的樣品放入惰性氛圍的管式爐中煅燒，即可獲得氮磷共摻雜的多孔碳片/過渡金屬磷化物復合材料。

作為本發明優選的，上述制備方法中，所述碳源為三聚氰胺，三聚氰胺在本發明中既為碳的來源，也作模板劑使用。

作為本發明優選的，上述制備方法中，所述磷源為質量分數為70%的植酸水溶液。

作為本發明優選的，上述制備方法中，所述過渡金屬醋酸鹽為四水合乙酸鈷、四水合乙酸鎳、四水合乙酸鈷和四水合乙酸鎳的混合物中的其中一種。

作為本發明優選的，上述制備方法中，所述過渡金屬元素、C、P的摩爾比為0. 1∶3∶2.6~0.2∶3∶2.6。

作為本發明優選的，上述制備方法中，所述過渡金屬醋酸鹽為四水合乙酸鈷和四水合乙酸鎳的混合物時，Co和Ni的摩爾比為1∶1。