一種多孔碳負載金屬復合材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米材料技術領域，尤其涉及一種多孔碳負載金屬復合材料及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]隨著化石能源的快速枯竭，開發新能源成為一個令人關注的課題，其中水分解產氫被認為是一種有效的方法。水分解包括陰極產氫反應和陽極產氧反應，科學家們希望研發出廉價高效的催化劑來分別降低陰極和陽極反應的過電勢，從而通過降低施加的電壓來減低經濟成本。
[0003]在用于水分解產氫的催化劑中，鉑基催化劑有著良好的產氫催化活性，釕基催化劑有著良好的產氧催化活性。然而，這些貴金屬較低的資源儲量和昂貴的成本限制了其在實際商業生產中的應用。因此，探索高效、性能穩定和低成本的非貴金屬或者無金屬的催化劑用來代替貴金屬催化劑材料，這具有重要的商業價值和意義，相關研究亦得到了廣泛的關注。
[0004]強酸和強堿性電解液可以滿足水分解所需的快速離子傳輸的要求，相對于酸性電解液，堿性電解液產氫，由于其具有更低的蒸汽壓而能得到更高純度的氫氣，已經廣泛被工業界所接受。并且，大多數用于產氧的催化劑例如金屬氧化物，在堿性電解液中有著更高的活性，而在酸性電解液中活性和穩定性相對較差。因此，堿性條件催化劑的研究受到更為廣泛的關注。其中，金屬鎳(Ni)是地球最為豐富的元素之一，并且被一直用作堿性條件下的產氫反應的催化劑。但是，制備一種對產氫和產氧反應都有較高活性的催化劑，是目前水分解反應研究的難點和重點。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本申請提供一種多孔碳負載金屬復合材料及其制備方法和應用，本發明提供的復合材料具有電化學全水解催化活性高的優點，并且成本較低。
[0006]本發明提供一種多孔碳負載金屬復合材料，包括:
[0007]多孔碳載體；
[0008]和負載在多孔碳載體上的鎳和碳化鉬。
[0009]優選地，所述復合材料中，鎳的質量分數為10%?30%，碳化鉬的質量分數為25%?45%，碳的質量分數為25%?65 %。
[0010]優選地，所述復合材料為一維納米棒狀。
[0011]優選地，所述復合材料的直徑為50nm?2 1nm，所述復合材料的長徑比為10?80:1o
[0012]本發明提供一種多孔碳負載金屬復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0013]將NiMoO4納米棒和碳源單體在Tris試劑溶液中進行反應，得到NiMoO4/碳源前體；
[0014]將所述NiMoO4/碳源前體進行煅燒，得到多孔碳負載金屬復合材料；
[0015]所述復合材料包括:多孔碳載體;和負載在多孔碳載體上的鎳和碳化鉬。
[00? 6] 優選地，所述NiMo04納米棒按照以下步驟制得:
[0017]將Ni(NO3)2.6H20和Na2MoO4.2H20及水混合，得到混合溶液；
[0018]將所述混合溶液在120°C?180 0C的條件下進行反應，依次經分離、洗滌和干燥，得到NiMoCU納米棒。
[0019]優選地，所述碳源單體選自多巴胺、葡萄糖、吡咯和苯胺中的一種或多種。
[0020]優選地，所述碳源單體在Tris試劑溶液中的濃度為0.2?0.8g/L。
[0021 ] 優選地，所述煅燒的溫度為700 °C?900 °C。
[0022]本發明還提供上文所述的多孔碳負載金屬復合材料或上文所述的制備方法制得的復合材料作為催化劑在電化學產氫和/或產氧中的應用。
[0023]與現有技術相比，本發明提供的復合材料以多孔碳為載體，并且多孔碳載體上負載有鎳和碳化鉬。在本發明中，多孔碳負載鎳和碳化鉬的復合材料具有優異的催化電化學產氫產氧及全水分解性能。實驗結果表明，本發明提供的復合材料作為催化劑在產氫反應中，過電位為0.25V時，其電流密度能夠達到52mA/cm2 ；在產氧反應中，過電位為0.40V時，其電流密度能夠達到23mA/cm2;在全水解反應中，電位為1.68V時，其電流密度能夠lOmA/cm2。所述復合材料性能非常優異，在電催化產氫產氧及全水分解領域具有良好的應用前景。
[0024]此外，本發明提供的復合材料的制備方法工藝簡單，成本較低，易于規模化生產。
【附圖說明】
[0025]圖1為實施例1所得多孔碳負載鎳和碳化鉬復合材料的掃描電鏡照片；
[0026]圖2為實施例1所得多孔碳負載鎳和碳化鉬復合材料的透射電鏡照片；
[0027]圖3為實施例1制得的多孔碳負載鎳和碳化鉬復合材料的XRD曲線；
[0028]圖4為實施例2所得多孔碳負載鎳和碳化鉬復合材料的透射電鏡照片；
[0029]圖5為實施例3所得多孔碳負載鎳和碳化鉬復合材料的透射電鏡照片；
[0030]圖6為實施例4所得多孔碳負載鎳和碳化鉬復合材料的透射電鏡照片；
[0031]圖7為實施例1和比較例I?3所得材料在產氫反應中的線性掃描伏安法測量曲線；
[0032]圖8為實施例1和比較例I?3所得材料在產氧反應中的線性掃描伏安法測量曲線；
[0033]圖9為實施例1所得復合材料在全水分解中的線性掃描伏安法測量曲線。
【具體實施方式】
[0034]下面對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0035]本發明提供了一種多孔碳負載金屬復合材料，包括:
[0036]多孔碳載體；
[0037]和負載在多孔碳載體上的鎳和碳化鉬。
[0038]本發明提供的多孔碳負載金屬復合材料是多孔碳負載鎳和碳化鉬的復合材料，其具有優異的催化活性，在電催化產氫產氧及全水分解領域具有良好的應用前景。
[0039]本發明提供的復合材料包括多孔碳載體，可由碳源高溫煅燒形成。所述碳源包括但不限于聚多巴胺、葡聚糖、聚吡咯或聚苯胺，優選為聚多巴胺。所述煅燒優選在保護性氣體存在的條件下進行，保護性氣體如氮氣或氬氣;煅燒溫度可為700°C?900°C。
[0040]在多孔碳載體上，本發明提供的復合材料包括負載的鎳(Ni)和碳化鉬(Mo2C)。其中，金屬鎳(Ni)在堿性條件下產氫反應中的催化活性良好;Mo2C具有良好的穩定性、高電導率和與鉑基金屬類似的電子結構。本發明將金屬Ni和Mo2C復合負載在多孔碳上，可形成高效的產氫催化材料。這種雙功能催化材料對產氫和產氧反應都有較高活性，利于應用。
[0041]在本發明的一些實施例中，所述復合材料中，鎳的質量分數為10%?30%，碳化鉬的質量分數為25%?45%，碳的質量分數為25%?65%。在本發明的一些實施例中，所述復合材料中，鎳的質量分數為15%?25%。在本發明的另一些實施例中，所述復合材料中，碳化鉬的質量分數為30%?40%。在本發明的另一些實施例中，所述復合材料中，碳的質量分數為30%?60 %。
[0042]在本發明的實施例中，所述復合材料為一維納米棒狀，尺寸均一;鎳和碳化鉬分散性良好，所有的顆粒鑲嵌在多孔碳的骨架里面。在本發明的一些實施例中，所述復合材料的直徑為50nm?2 1nm，所述復合材料的長徑比為1?80:1。在本發明的一些實施例中，所述復合材料的直徑為50nm?75nm。在本發明的一些實施例中，所述復合材料的直徑為I 1nm?140nm。在本發明的另一些實施例中，所述復合材料的直徑為190nm?210nm。在本發明的另一些實施例中，所述復合材料的直徑為150nm?180nm。在本發明的另一些實施例中，所述復合材料的長徑比為1?20:1。在本發明的優選實施例中，所述復合材料的直徑為150nm?180nm，所述復合材料的長徑比為10?20:1，長度為2μηι?4μηι。
[0043]相應地，本發明實施例提供了一種多孔碳負載金屬復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0044]將NiMoO4納米棒和碳源單體在Tris試劑溶液中進行反應，得到NiMoO4/碳源前體；
[0045]將所述NiMoO4/碳源前體進行煅燒，得到多孔碳負載金屬復合材料；
[0046]所述復合材料包括:多孔碳載體;和負載在多孔碳載體上的鎳和碳化鉬。
[0047]本發明提供的制備方法能制備得到多孔碳負載鎳和碳化鉬的