一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用制造技术

本发明专利技术属于电解水催化剂技术领域，涉及一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用。该催化剂是一种具有碳纳米管微球结构的新型电解水析氧催化剂。该催化剂以三聚氰胺为碳源和氮源，表面活性剂三嵌段两亲共聚物F127为软模板，添加磷钼酸为钼源，硝酸镍为石墨化催化剂与镍源，通过溶剂蒸发诱导多元共组装和高温热解法制备镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂（Ni

A nickel doped molybdenum carbide / carbon nanotube microsphere catalyst for electrolytic water oxygen evolution and its application

【技术实现步骤摘要】
一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用


[0001]本专利技术属于电解水催化剂
，涉及一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用。

技术介绍

[0002]析氢反应(HER)和析氧反应(OER)是可再生能源转化和储存的关键。与阴极的 HER相比，阳极的OER过程动力学更加迟缓，因为涉及到质子耦合的四电子转移过程。迟缓的OER动力学使得OER的过电势远高于HER，大大增加了全电解反应的能量消耗。尽管贵金属氧化物如氧化钌(RuO2)和氧化铱(IrO2)表现出了非常高的OER活性，但是大规模的氢气生产仍然需要廉价的非贵金属基OER催化剂通常能使电解水的活化能大大降低，从而降低电解水的过电势。
[0003]多壁碳纳米管(MWCNTs)自1991年Iijima首先发现以来，已引发科学界的研究热潮。MWCNTs具有高度石墨化的管壁、纳米级的管腔以及由sp2‑
C构成的表面积，展现出异常高的机械强度和硬度、高的导电导热性能、中高等级可修饰的比表面积，导致其在众多研究领域潜在的应用价值，尤其是它对氢、氧等分子的吸附活化性能，使 MWCNTs很有希望成为新型催化剂的载体或促进剂。
[0004]过渡金属掺杂和结构改进是制备高活性析氧催化剂的简便可行的策略。另外非金属原子如N、S等掺杂的碳材料已被广泛用作独立的HER或OER工艺的有效电催化剂。在此，通过多元共组装和热解碳化制备了镍掺杂具有碳纳米管微球结构的 Ni
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Mo2C/CNM。利用碳纳米管微球结构，充分展示了Mo基材料和掺杂的Ni纳米粒子对OER的优异性能。Ni
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Mo2C/CNM只需294mV，即可在1.0M KOH中实现电流密度为10mA/cm2高效析氧，并且该催化剂具有优秀的稳定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是通过Ni、N、Mo2C在碳纳米管微球(CNM)表面的协同效应，制备出高效电解水析氧催化剂Ni
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Mo2C/CNM。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用，其特征在于，以三聚氰胺为碳源和氮源，表面活性剂三嵌段两亲共聚物F127为软模板，添加磷钼酸为钼源，镍金属盐为石墨化催化剂与镍源，通过溶剂蒸发诱导多元共组装和高温热解法制备镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水催化剂Ni
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Mo2C/CNM。
[0008]根据权利要求1所述的一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
[0009](1)将F127溶解在磷钼酸和硝酸镍的混合溶液中，加入1g三聚氰胺后90℃加热回流2h，蒸发水分后得到催化剂前驱体。
[0010](2)将上述前驱体在60℃烘箱中放置12h得到绿色薄膜，管式炉中惰性气体气氛下
高温碳化：碳化条件为：以5℃/min的升温速度加热到900℃，保温2h后自然降温得到黑色粉末，球磨机研磨后得到镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球，即电解水析氧催化剂Ni
‑
Mo2C/CNM。
[0011]本专利技术主要通过溶剂蒸发诱导多元共组装和高温煅烧法制备镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水催化剂，并将其应用到电解水析氧中。
[0012]与现有技术相比，本专利技术具有以下创新点：
[0013](1)将表面活性剂三嵌段两亲共聚物F127作为软模板，通过结合碳源的基团在水中形成胶束，最后形成碳纳米管微球的形貌，利用大比表面积的碳纳米管微球结构在电解水过程中进行更好的吸附O2。
[0014](2)利用过渡金属Ni、Mo双活性位点催化机制催化电解水析氧。
[0015]本专利技术制备的催化剂具有较好的电解水析氧催化性能；其在10mA/cm2的电流密度下，连续工作约10小时后，电位变化约30mV，性能较为稳定。
附图说明
[0016]图1为实施例1制备的Ni
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Mo2C/CNM的SEM图。
[0017]图2为实施例2制备的Ni
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Mo2C/C的SEM图。
[0018]图3为实施例1制备的Ni
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Mo2C/CNM的TEM图。
[0019]图4为实施例1制备的Ni
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Mo2C/CNM的XRD图。
[0020]图5为实施例1制备的Ni
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Mo2C/CNM的XPS图。
[0021]图6为实施例1制备的Ni
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Mo2C/CNM与商业催化剂RuO2在1.0M KOH中催化 OER的LSV极化曲线对比图。
[0022]图7为不同催化剂在1.0M KOH中催化OER的LSV极化曲线对比图。
[0023]图8为不同催化剂在1.0M KOH中OER的tafel曲线。
[0024]图9为实施例1制备的Ni
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Mo2C/CNM修饰电极在294mV电势下OER反应10h。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0026]实施例1：
[0027](1)将F127溶解在磷钼酸和硝酸镍的混合溶液中，加入1g三聚氰胺后90℃加热回流2h，蒸发水分后得到催化剂前驱体。
[0028](2)将上述前驱体在60℃烘箱中放置12h得到绿色薄膜，管式炉中惰性气体气氛下高温碳化：碳化条件为：以5℃/min的升温速度加热到900℃，保温2h后自然降温得到黑色粉末，球磨机研磨后得到镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球，即电解水析氧催化剂Ni
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Mo2C/CNM。
[0029]修饰电极的构建：取8mgNi
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Mo2C/CNM加入60uL无水乙醇和136uL超纯水超声20min，然后加入40uL Nafion(5％乙醇溶液)，继续超声40min得到质量密度为0.283mg/cm2的墨水。取5uL墨水滴在玻碳电极上。自然干燥后进行电化学测试。其中Ni
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Mo2C/CNM修饰电极为工作电极，碳棒电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，1.0mol/L KOH溶液为电解质溶液。
[0030]图1为实施例1制备的Ni
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Mo2C/CNM的SEM图。由图中可以看出， Ni
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Mo2C/CNM是由碳纳米管交缠组成的微米级的球状结构。
[0031]图2为实施例2制备的Ni
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Mo2C/C的SEM图。由图中可以看出，制备过程中没有加表面活性剂F127得到的材料与实施例1的形貌完全不同。没有F127生成的 Ni
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Mo2C/C是片状结构，在片层碳材料上负载着Mo2C和Ni纳米粒子。
[0032]图3为实施例1制备的N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用，其特征在于，引入表面活性剂三嵌段两亲共聚物F127为软模板，制备出的催化剂Ni
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Mo2C/CNM形貌为：碳纳米管构建的微球结构。2.根据权利要求1所述的一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用，其特征在于，该催化剂掺杂了过渡金属Ni纳米粒子。3.根据权利要求1所述的一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用，其特征在于，该催化剂掺杂了过渡金属Mo基材料。4.根据权利要求1所述的一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂及应用，其特征在于，该催化剂兼具Ni、Mo和CNM三者协同作用，缺一不可。5.根据权利要求1所述的一种镍掺杂碳化钼/碳纳米管微球电解水析氧催化剂的具体制备方法包括：将F127溶解在磷钼酸和硝酸镍的混合溶液中，加入1 g三聚氰胺后90 ℃加热回流2 h，蒸发水分后得到催化剂前驱体。6.将上述前驱体在60 ℃烘箱中放置12 h得到绿色...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，施璠，王宝丽，姚昱岑，罗书昌，张泽俊，徐士官，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：