[發明專利]一種碳納米材料限域過渡金屬取代多酸的復合材料的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202310397606.2
• 申請日: 2023-04-13
• 公開（公告）號: CN116575069A
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發明（設計）人: 宋宇飛;郭琳;何蕾;楚進鋒
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/065;C25B1/04
• 代理公司: 北京悅和知識產權代理有限公司 11714
• 代理人: 司麗春;劉青霞

本發明涉及一種碳納米材料限域過渡金屬取代多酸的復合材料的制備方法及其應用，涉及復合材料領域，所述復合材料中，所述碳納米材料為含有空隙和/或中空通道的碳納米材料；所述碳納米材料的空隙和/或中空通道中負載有高度分散的過渡金屬取代多酸。本發明的復合材料(碳納米材料限域過渡金屬取代多酸的復合材料)在應用于電催化析氫反應時，能有效地降低析氫過電位，減少電能的消耗；且多酸價格便宜，能降低催化反應的成本。

技術領域

本發明涉及復合材料的技術領域，具體涉及一種碳納米材料限域過渡金屬取代多酸的復合材料的制備方法及其應用。

背景技術

全球氣候變暖和化石能源的快速消耗，可持續能源的開發一直是人類關注的焦點。此外，隨著環保要求的提高和氫燃料的不斷普及，氫氣的低成本、清潔、高效生產是研究者們關注的熱點。目前，主要的制氫技術是甲烷蒸汽重整和煤氣化，僅有少量是通過電解水制得。電解水制氫被認為是最有希望的綠色產氫途徑，但目前所用的催化劑析氫過電位較大，導致電能的消耗較多。鉑具有較高的電催化活性，常被用作電催化析氫反應中。但鉑在地殼中的含量為5×10^-7％，常與其他鉑族元素以礦物形式存在，或以游離狀態存在，難以分離提取。根據2022年中國礦產資源分布報告鉑族金屬儲量僅87.69萬噸，目前全球鉑金屬增量需求在不斷增長，資源競爭激烈。因此，開發廉價、高效、穩定的電催化劑是電解水制氫走向工業化應用的重要保障，也是廣大研究者亟待解決的問題。

多金屬氧酸鹽(簡稱多酸)，是一類由高氧化態的前過渡金屬與氧連接構成的帶有負電荷的金屬氧化物簇。多酸結構豐富，而且具有獨特的氧化還原活性，在醫藥、催化、材料和能源領域均具有廣泛的應用。多酸結構明確，又是單分散的納米團簇，有利于暴露出更多的催化活性位點。然而，多酸在水溶液中溶解度較大，易流失，從而其活性較差，如：H₄SiW₁₂O₄₀、[H₇P₈W₄₈O₁₈₄]^33-。多酸導電性較弱，應用于電催化反應時，不利于電子的傳輸。因此，為充分發揮多酸在電催化中的優勢，研究者設計不同過渡金屬取代的多酸，如[LnSiW₁₁O₃₉]^5-、[PW₁₁CoO₃₉]^5-，然后將其與rGO、CNTs等高導電性材料結合，提高復合材料的導電性，同時有利于多酸暴露更多的活性位點。目前，常用的多酸基復合材料的合成方法是水熱和負載。如通過水熱合成POM/Ni基復合材料時，溫度需達到180℃，時間需8h，該合成過程條件要求嚴格且能耗較大。將Na₂H₈[MnV₁₃O₃₈](NMV)負載在石墨烯片層上合成NMV/G復合材料，該合成過程繁瑣，多酸的負載量難以控制，且結合力較弱，易脫落。

發明內容

發明目的

為解決現有技術中的問題，本發明的目的在于提供一種碳納米材料限域過渡金屬取代多酸的復合材料的制備方法及其應用。本發明的復合材料(碳納米材料限域過渡金屬取代多酸的復合材料)在應用于電催化析氫反應時，能有效的降低析氫過電位，電能的消耗較少；多酸價格便宜，降低催化反應的成本。此外，多酸易于合成和修飾，將其與碳納米管結合能夠顯著增強復合材料的穩定性，從而提高材料的利用效率。

解決方案

為實現本發明目的，第一方面，本發明提供了一種碳納米材料限域過渡金屬取代多酸的復合材料在制備電催化析氫材料中的應用，所述復合材料中，所述碳納米材料為含有空隙和/或中空通道的碳納米材料，所述碳納米材料的空隙和/或中空通道中負載有高度分散的過渡金屬取代多酸。