一种W2C/Mo2C@NC复合纳米材料及其制备方法和应用

本发明涉及电催化剂制备，特别涉及一种复合纳米材料及其制备方法，该复合纳米材料用于碱性电解液电催化析氢反应，属于无机金属复合纳米材料催化领域。

背景技术：

1、随着全球能源危机和环境污染问题日益严峻，迫切需要开发出绿色、可再生的清洁能源和新的能源储存方式。氢能以其高能源密度和环境友好性成为化石燃料的理想替代品之一。从环境保护的角度出发，通过电解水中的电催化析氢半反应制备氢气是一种绿色环保的方法，该方法可以将太阳能、风能等间歇性能源转化为电催化析氢所需要的电能，再以化学能的形式储存，实现了可再生能源的有效利用。电解水析氢的催化剂一般通过有效吸附反应物来促进电化学反应，通过减少反应活化能势垒来加速反应动力学。铂族金属材料是公认的最有效的析氢催化剂，但它们的低储量和高成本制约了其在实际生产中的广泛使用。因此开发低成本、高效稳定的非贵金属催化剂成为研究热点之一。

2、过渡金属碳化物如碳化钨(w2c)和碳化钼(mo2c)在催化反应中表现出与贵金属相似的催化特性，这是由于碳的s和p轨道与过渡金属的d轨道发生杂化使得d带膨胀，接近铂的电子结构，从而具有类似贵金属的氢吸附自由能、高电导率和良好的耐腐蚀性。与铂族金属相比，过渡金属碳化物的内在活性仍然较低。通常，未进行结构调控的单组分非贵金属催化剂展现出较差的催化活性，可以通过构造异质结构的方式优化其活性位点，从而对其催化性能产生显著影响。当两种功函数不同的物质进行有效复合时，异质界面处两组分的协同作用，使得其界面处具有不同于单组分物质的电子结构特性。异质结构的催化材料边缘可以实现更充分的暴露，能有效增加催化剂的表面积，提供更多的反应活性位点；另外，由于异质结构催化剂中不同组分电负性不同，可能引起电子在不同组分之间重新分布，使催化剂的结构向有利于电催化析氢的方向变化。因此，构筑异质结构复合纳米材料是一种有效发展高活性催化剂的方法。此外，由于大多数纳米催化剂导电性较差且易于聚集，导致其表面积减小，活性位点暴露较少，从而开发出了由碳材料(例如石墨烯)等宏观基体作支撑的纳米结构催化剂，使电活性表面积最大化，并改善其催化活性和耐久性。因此，实现异质结构纳米颗粒均匀负载在大面积载体上能够显著改善非贵金属催化剂的活性及稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料及其制备方法和电催化应用，将w2c/mo2c异质结构纳米颗粒负载在氮掺杂的碳(nc)上，显著改善非贵金属催化剂的活性及稳定性，创建具有成本效益的电解水工业负载型催化剂w2c/mo2c@nc，该制备工艺方法简单、成本低且所需设备要求较低，易于实现工业放大和批量制备，有较好的工业化前景。

2、本发明提供的一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料，优选的，w2c含量为10wt％-30wt％，mo2c含量为10wt％-30wt％。

3、本发明提供的一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：

4、s1、将尿素、钨盐和钼盐溶于蒸馏水中，充分搅拌溶解后，烘干，得到混合粉末产物；

5、s2、在氩气氛围下，将s1得到的混合粉末产物，进行油浴，待样品完全融化后，持续搅拌反应，得到冷却固体产物；

6、s3、在氩气氛围下，将s2得到的冷却固体产物，放于管式炉中，先以2℃/min的速度升温至500℃，在500℃维持10min，接着以5℃/min升温至800℃，在800℃维持2-3h，最后自然冷却，得到w2c/mo2c@nc复合纳米材料。

7、优选的，所述s1中尿素：钨盐：钼盐：水为10-100g：0-1g：0-1g：50-200ml。

8、优选的，所述s1中钨盐为钨酸铵、钼盐为钼酸铵。

9、优选的，所述s1中搅拌时间为30min，搅拌方式为磁力搅拌。

10、优选的，所述s1中烘干温度为70-120℃。

11、优选的，所述s2中油浴温度为170℃。

12、优选的，所述s2中油浴为硅油。

13、优选的，所述s2中持续搅拌反应时间为5-10min，搅拌方式为磁力搅拌。

14、本发明提供的w2c/mo2c@nc复合纳米材料为多孔二维片状结构，直径在5-50nm的w2c/mo2c异质结构纳米颗粒均匀分布在氮掺杂的碳纳米片上。

15、本发明提供的w2c/mo2c@nc复合纳米材料应用于碱性电解液电催化析氢反应。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明提供的一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料，包括10wt％-30wt％的w2c和10wt％-30wt％的mo2c，该复合电催化材料具有w2c/mo2c异质结构纳米颗粒，其以异质结构纳米颗粒的形式均匀分散负载在了多孔的nc纳米片上，极大的暴露了w2c/mo2c异质界面，能够提高电催化反应过程中的电子/离子传导能力，提供更多的反应活性位点，从而提高复合纳米材料的催化性能，达到很好的电解水制氢效果。本发明创建具有成本效益的电解水工业负载型催化剂w2c/mo2c@nc，这种负载型催化剂在碱性电解液中可用做优异的析氢催化剂。

18、本发明提供的制备方法，是基于过渡金属碳化物w2c和mo2c在催化反应中表现出与贵金属相似的催化特性，具有类似贵金属的氢吸附自由能、高电导率和良好的耐腐蚀性。通过采用油浴加热反应物，再通过热处理手段“先以2℃/min的速度升温至500℃，在500℃维持10min，接着以5℃/min升温至800℃，在800℃维持120-180min，最后自然冷却”，该工艺精确控制了热处理条件，通过控制升温速度、等温结晶温度和时间，进一步改善了复合材料的纳米结构。通过这种精细的结构控制和热处理策略，利用复合电催化材料各组分间的协同增效作用，进一步提升复合纳米材料在碱性电解液电催化析氧反应中的活性和稳定性，提高电解水的效率。本发明成功地提升了w2c/mo2c@nc复合纳米材料的电催化析氢活性及稳定性，其作为碱性电解液的产氢催化剂材料，使电活性表面积最大化，具有催化活性高、稳定性和耐久性优异以及制备工艺简单的优点。

19、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料，其特征在于：所述复合纳米材料包括10wt％-30wt％的w2c和10wt％-30wt％的mo2c。

2.一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述的一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料的制备方法，其特征在于：s1中搅拌时间为30min。

4.根据权利要求2所述的一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料的制备方法，其特征在于：s1中烘干温度为70-120℃。

5.根据权利要求2所述的一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料的制备方法，其特征在于：s2中油浴温度为170℃。

6.根据权利要求2所述的一种w2c/mo2c@nc复合纳米材料的制备方法，其特征在于：s2中持续搅拌反应时间为5-10min。

7.一种权利要求1所述的w2c/mo2c@nc复合纳米材料的应用，该复合纳米材料用于碱性电解液电催化析氢反应。

技术总结本发明提供一种W<subgt;2</subgt;C/Mo<subgt;2</subgt;C@NC复合纳米材料及其制备方法和应用，该方法将尿素、钨盐、钼盐溶于水中，充分搅拌溶解后放入烘箱中烘干，烘干后的混合粉末产物在氩气氛围高温油浴条件下，以尿素为溶剂、碳源及氮源，待样品完全融化后，持续搅拌反应，取出冷却成固体，放入氩气氛围的管式炉中，先以2℃/min的升温速率升至500℃，随后在500℃维持10min，接着以5℃/min升温速率升至800℃，在800℃下维持2‑3h，最后自然冷却，制备得到W<subgt;2</subgt;C/Mo<subgt;2</subgt;C@NC复合纳米材料。本发明中W<subgt;2</subgt;C和Mo<subgt;2</subgt;C形成异质结构纳米颗粒均匀负载在氮掺杂的碳(NC)上；其作为碱性电解液的产氢催化剂材料，具有催化活性高、稳定性优异以及制备工艺简单的优点。技术研发人员：邱雨,张小婷,张琰图,李雪礼受保护的技术使用者：延安大学技术研发日：技术公布日：2024/6/30