[發明專利]一種氮化釩-氮摻雜碳復合材料的制備及應用

在審

• 申請號: 202211218509.4
• 申請日: 2022-10-06
• 公開（公告）號: CN115386901A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 馬琳;孫勁毅;席艷杰;許麗梅
• 申請（專利權）人: 嶺南師范學院
• 主分類號: C25B1/27
• 分類號: C25B1/27;C25B11/091
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種氮化釩?氮摻雜碳復合材料的制備及應用，所述氮化釩?氮摻雜碳復合材料的制備方法，包括如下步驟：S1.將三氯化釩或硝酸釩與六亞甲基四胺按一定配比分別溶于一定量的乙醇中，釩離子的摩爾濃度為0.01~0.5mol L?1，六亞甲基四胺與釩離子的摩爾比為(0.5~8):1；S2.在連續攪拌下，向六亞甲基四胺的乙醇溶液中逐滴加入釩離子溶液，生成淺綠色的沉淀，為釩離子與六亞甲基四胺形成的有機金屬框架材料(V?MOF)；S3.將此有機金屬框架材料(V?MOF)用無水乙醇反復洗滌，離心分離后真空干燥；S4.將所得有機金屬框架材料在氨氣氛圍中于700~900℃下熱處理，得到氮化釩?氮摻雜碳復合材料。本發明提供的氮化釩?氮摻雜碳復合材料的制備方法是以三氯化釩或硝酸釩為釩源，以六亞甲基四胺為碳源和氮源，以所形成的釩基有機框架材料為前驅體，通過熱處理技術制備得到復合材料。由該制備方法制得的氮化釩?氮摻雜碳復合材料比表面積大，具有良好的電催化氮還原產氨活性。

技術領域

本發明涉及微納米復合材料領域，更具體地，涉及一種氮化釩-氮摻雜碳復合材料的制備及應用。

背景技術

作為一種重要的工業原料，氨氣被廣泛應用于化肥、化工、制藥等領域。目前合成氨生產過程主要是采用傳統的哈博-博施法(H-B法)，該法在反應過程中需要消耗大量的能量并產生大量的二氧化碳。這與時下倡導的“低碳環保、節能減排”的理念相去甚遠，也不利于“雙碳”目標的實現。電催化氮還原反應(NRR)能夠在常溫常壓的條件下以水和氮氣為原料，通過電化學方法催化合成氨氣。與H-B法相比，該法具有低能耗、低碳排放和溫和安全等優勢，但受到高過電位及析氫反應(HER)的影響，反應的產氨速率和法拉第效率還需要進一步提高，因此需要篩選合適的催化劑，降低NRR的過電位并且抑制HER競爭反應。氮化釩(VN)具有低成本和豐富釩儲量等優勢，有望成為電催化氮還原制氨的催化劑。但在使用時，氮化釩納米粒子易發生團聚或堆積，導致其比表面積大幅減小，催化活性位點減少，因此造成催化劑活性下降。研究表明，將納米粒子分散在某種導電性的基質（如碳材料）中，不僅具有更大的可利用的比表面積和更多的活性位點，而且也具有更好的結構穩定性。這也決定了它在電化學催化領域具有很好的應用前景。最近以金屬有機框架材料(MOF)為模板或前驅體，制備得到納米結構的碳基復合材料及其在電化學儲能中的應用成為當前的研究熱點之一。采用六亞甲基四胺為配體，通過簡單、溫和的方法制備出二維結構的釩基有機金屬框架，以其為模板，通過熱處理和氮化的手段制備氮摻雜的碳片負載的氮化釩納米粒子，并將其應用于電催化氮還原制氨的研究目前還未見公開報道。

發明內容

本發明為克服上述現有技術中所述氮化釩的易團聚、穩定性差和催化活性降低的缺陷，提供一種氮化釩-氮摻雜碳復合材料的制備方法，由該制備方法制得的復合材料具有較大的比表面積和穩定的結構。

本發明的另一目的在于提供上述氮化釩-氮摻雜碳復合材料在電催化氮還原產氨中的應用，該法制備的催化劑具有穩定、高催化活性的優點。

本發明提供的一種氮化釩-氮摻雜碳復合材料的制備方法，該方法按如下步驟進行：

S1. 將三氯化釩或硝酸釩與六亞甲基四胺按一定配比分別溶于一定量的乙醇中，釩離子的摩爾濃度為0.05~0.5mol L^-1；六亞甲基四胺與釩離子的摩爾比為(0.5~8):1；

S2. 在連續攪拌下，向六亞甲基四胺的乙醇溶液中逐滴加入釩離子溶液，生成淺綠色的沉淀為釩離子與六亞甲基四胺形成的有機金屬框架材料(V-MOF)；

S3. 將此有機金屬框架材料(V-MOF)用無水乙醇反復滌洗，離心分離后真空干燥；

S4. 將所得有機金屬框架材料在氨氣氛圍中于700~900℃下熱處理，得到氮化釩-氮摻雜碳復合材料。