[發明專利]一種氮磷共摻雜碳負載過渡金屬磷化物的普適性制備方法

在審

• 申請號: 202111070312.6
• 申請日: 2021-09-13
• 公開（公告）號: CN113845097A
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 艾偉;杜祝祝;杜洪方;黃維;楊凱
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C01B25/08
• 分類號: C01B25/08;C01B32/05;B01J27/24
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種氮磷共摻雜碳負載過渡金屬磷化物的普適性制備方法，以三聚氰胺多聚磷酸鹽(melamine polyphosphate)作為碳源、氮源和磷源，與過渡金屬原料復合后經高溫煅燒得到氮磷共摻雜碳負載的過渡金屬磷化物。本發明提供的制備方法中，三聚氰胺多聚磷酸鹽熱解得到氮磷共摻雜碳材料，同時將過渡金屬原料轉化為對應的磷化物，實現了碳負載過渡金屬磷化物的一步合成。與現有技術相比，本發明無需繁瑣的前驅體制備及磷化處理流程，顯著精簡了碳材料負載過渡金屬磷化物的制備工藝。此外，本發明所提供的方法，原料成本低廉、普適性強、操作簡單，可實現規模化制備碳負載過渡金屬磷化物，具有重要應用價值。

技術領域

本發明屬于復合材料制備領域，涉及一種氮磷共摻雜碳負載過渡金屬磷化物的普適性制備方法。

背景技術

過渡金屬磷化物可視為磷原子以摻雜的方式占據金屬晶格所形成的二元合金，磷原子的引入可削弱金屬原子間的相互作用力，導致d帶中心偏移，同時靠近費米能級的態密度也隨之增加。這種獨特的電子結構賦予過渡金屬磷化物優異的物理化學性能，在儲能、催化、電子等領域展現出重要應用前景。高效合成是材料規模化應用的基礎，然而過渡金屬磷化物在制備過程中極易團聚，導致阻抗增加，造成性能不佳。引入碳材料可有效解決以上問題，并顯著提升過渡金屬磷化物的綜合電化學性能。

目前，碳負載過渡金屬磷化物材料的合成方法已有報道，但仍面臨操作繁雜、成本高等問題，難以滿足規模化生產與應用的需求。常見報道的這類材料的合成方法通常分為以下三步：1)制備碳載體，2)在碳材料表面負載過渡金屬材料前驅體，3)采用磷單質或次磷酸鈉磷化處理得到碳負載的過渡金屬磷化物。例如，如專利“張素風，魏寧等，一種氮摻雜碳纖維負載鋯誘導的過渡金屬磷化物及制備方法[P]，申請號2020113766902”，先將細菌纖維素表面原位聚合的聚吡咯碳化得到碳載體，然后通過水熱反應在碳材料表面構筑過渡金屬鹽前驅體，最后經過次磷酸鈉磷化處理得到目標產物。這類方法涉及多步合成、操作繁瑣，不利于規模化制備。更糟糕的是，次磷酸鈉分解產生的高毒性PH₃氣體會威脅人員健康和生態環境。專利“李燦，孫福俠等，過渡金屬磷化物的制備方法[P]，申請號200410006721X”公開的方法中，以氫氣為還原劑，通過程序升溫還原過渡金屬磷酸鹽，亦可制備過渡金屬磷化物。但該方法涉及氫氣的使用，存在安全隱患。此外，三辛基膦、三苯基膦等有機含磷化合物也可在有機溶劑中合成過渡金屬磷化物。如文獻“Pan Yuan，Lin Yan等，Cobaltphosphide-based electrocatalysts:synthesis and phase catalytic activitycomparison for hydrogen evolution[J]，J.Mater.Chem.A,2016,4,4745-4754”以油胺為溶劑、三辛基膦為磷源，通過溶劑熱反應制得了碳納米管負載的磷化鈷材料。然而，有機溶劑及膦化物閃點低、易揮發，有機膦化物毒性高，須對操作人員進行專業技能培訓。綜上，碳負載過渡金屬磷化物的快捷、高效、可控制備仍存在重大技術瓶頸。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種氮磷共摻雜碳負載過渡金屬磷化物的普適性制備方法，以三聚氰胺多聚磷酸鹽(melamine polyphosphate)與過渡金屬為原料，在惰性氣氛條件下一步煅燒得到氮磷共摻雜碳負載過渡金屬磷化物。三聚氰胺多聚磷酸鹽是常用的滅火劑原料，價格低、穩定性好。本發明以三聚氰胺多聚磷酸鹽為碳源、氮源和磷源，在煅燒過程中得到氮摻雜碳，并將過渡金屬原料轉化為磷化物。本發明與其他氮磷共摻雜碳負載過渡金屬磷化物的制備方法相比，無需額外添加碳源、氮源和磷源，極大精簡了操作步驟和制備流程，實現了碳負載過渡金屬磷化物的快捷、高效、可控合成。本發明操作簡單、成本低、普適性強、可宏量制備碳負載過渡金屬磷化物，具有重要應用前景。

技術方案