一种过渡金属碳化物复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电催化，尤其涉及一种过渡金属碳化物复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，开发创新的储能技术至关重要，电化学技术能够以更环保的方式提供能源或化学物质，既可以将电能储存在化学键中产生燃料，也可以通过消耗燃料产生电能。特别是，利用电化学系统生产过氧化氢(h2o2)。h2o2的生产可以通过两电子氧还原反应(2e-orr)途径(o2+2h++2e-→h2o2)进行。该方法与传统的蒽醌法或气相反应相比，为合成h2o2提供了一种更简单、更安全的方法。但电催化剂对于实现2e-orr生成h2o2的高选择性至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种过渡金属碳化物复合材料及其制备方法和应用，所述过渡金属碳化物复合材料用于2e-orr生成h2o2，能提高生成过氧化氢的选择性。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种过渡金属碳化物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将碳化物、聚合物乳液和醇溶剂混合，将所得混合物依次进行干燥、压制和第一煅烧，得到复合物；

5、以金属靶材为靶源，将所述复合物进行磁控溅射，将所得产物在电解液中进行电沉积后，第二煅烧，得到过渡金属碳化物复合材料；

6、所述电解液含有过渡金属盐。

7、优选的，所述碳化物包括碳化钼、碳化铬或碳化钛；所述聚合物乳液中聚合物包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和全氟磺酸萘酚中的一种或几种，所述聚合物乳液的质量分数为10～60％。

8、优选的，所述醇溶剂包括水和醇；所述醇包括甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇和环己醇中的任意一种，所述水和醇的体积比为1～10:1；

9、所述碳化物、聚合物乳液中聚合物和醇溶剂的用量比优选为0.2～3g:0.05～1g:10～300ml。

10、优选的，所述干燥的温度为70～120℃，时间为30～100min；所述压制的压力为0.1～50mpa，温度为20～250℃，时间为5～30min；所述第一煅烧的温度为300～550℃，时间为10～180min。

11、优选的，所述金属靶材包括银靶、铜靶、金靶、铂靶或钛靶；所述磁控溅射的条件包括：载气为氩气，反应流量为50～300ml/min；溅射温度为300～500℃，溅射速度为0.1～0.5nm/s，溅射时间为1～100s。

12、优选的，所述过渡金属盐包括氯铂酸、氯金酸、氯钯酸或硝酸银；所述过渡金属盐在电解液中的浓度为1～15mmol/l；所述电解液的ph值为1～5；所述电解液还包括导电盐；所述导电盐包括氯化钾、硫酸钾或硝酸钠，所述导电盐在电解液中的浓度为0.05～1mol/l。

13、优选的，所述电沉积的电压为-2.5～1.0v，时间为5～60min。

14、优选的，所述第二煅烧在还原性气体氛围中进行，所述还原性气体氛围包括氢气、氢氩混合气和氢氮混合气中任意一种；所述氢氩混合气中氢气和氩气的体积比为1:1～9，所述氢氮混合气中氢气和氮气的体积比为1:1～9；

15、所述第二煅烧的温度为100～550℃，时间为30～180min。

16、本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的过渡金属碳化物复合材料。

17、本发明提供了上述技术方案所述过渡金属碳化物复合材料在制备过氧化氢中的应用。

18、本发明先将碳化物与聚合物乳液在醇溶剂中混合，然后依次进行干燥、压制以及第一煅烧，得到复合物(过渡金属碳化物集成电极)；然后将复合物顺次进行磁控溅射、电沉积以及第二煅烧，得到过渡金属碳化物复合材料。本发明采用过渡金属碳化物作为2e-orr电催化剂的良好载体，能够使电荷转移更容易，不仅能有效降低贵金属的使用量，而且增加了负载贵金属催化剂的均匀性和表面覆盖率，使得电极具有良好的两电子氧还原生成过氧化氢的能力。

19、本发明首先通过碳化物和聚合物乳液(粘结剂)的混合构成过渡金属碳化物集成电极，促进了传质和传荷，为建立更多的三相活性位点提供了可能；其次，通过磁控溅射在过渡金属碳化物集成电极表面生长一层金属过渡层，提高了导电能力的同时，增加了过渡金属碳化物集成电极和电沉积金属活性层之间的稳定性。而且，利用过渡金属层作为种子层，作为电沉积的沉积位点，有利于后续电沉积的活性金属形成单一的纳米粒子，有利于电沉积的纳米粒子的稳定，防止后续电沉积形成不规则的大颗粒团簇导致生成过氧化氢的选择性降低，在满足两电子氧还原反应高活性的要求下，由于金属过渡层中高密度的成核位点极大地减少了金属活性层的负载量，同时还提高了金属负载量的均匀度及表面覆盖率，有效防止金属活性层中金属形成团簇，从而提高生成过氧化氢的选择性。

技术特征：

1.一种过渡金属碳化物复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化物包括碳化钼、碳化铬或碳化钛；所述聚合物乳液中聚合物包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和全氟磺酸萘酚中的一种或几种，所述聚合物乳液的质量分数为10～60％。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述醇溶剂包括水和醇；所述醇包括甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇和环己醇中的任意一种，所述水和醇的体积比为1～10:1；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为70～120℃，时间为30～100min；所述压制的压力为0.1～50mpa，温度为20～250℃，时间为5～30min；所述第一煅烧的温度为300～550℃，时间为10～180min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属靶材包括银靶、铜靶、金靶、铂靶或钛靶；所述磁控溅射的条件包括：载气为氩气，反应流量为50～300ml/min；溅射温度为300～500℃，溅射速度为0.1～0.5nm/s，溅射时间为1～100s。

6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属盐包括氯铂酸、氯金酸、氯钯酸或硝酸银；所述过渡金属盐在电解液中的浓度为1～15mmol/l；所述电解液的ph值为1～5；所述电解液还包括导电盐；所述导电盐包括氯化钾、硫酸钾或硝酸钠，所述导电盐在电解液中的浓度为0.05～1mol/l。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述电沉积的电压为-2.5～1.0v，时间为5～60min。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二煅烧在还原性气体氛围中进行，所述还原性气体氛围包括氢气、氢氩混合气和氢氮混合气中任意一种；所述氢氩混合气中氢气和氩气的体积比为1:1～9，所述氢氮混合气中氢气和氮气的体积比为1:1～9；

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的过渡金属碳化物复合材料。

10.权利要求9所述过渡金属碳化物复合材料在制备过氧化氢中的应用。

技术总结本发明提供了一种过渡金属碳化物复合材料及其制备方法和应用，属于电催化技术领域。本发明先将碳化物与聚合物乳液在醇溶剂中混合，然后依次进行干燥、压制以及第一煅烧，得到复合物；然后将复合物顺次进行磁控溅射、电沉积以及第二煅烧，得到过渡金属碳化物复合材料。本发明采用过渡金属碳化物作为2e<supgt;‑</supgt;ORR电催化剂的载体，能够使电荷转移更容易，不仅能有效降低贵金属的使用量，而且增加了负载贵金属催化剂的均匀性和表面覆盖率，使得电极具有良好的两电子氧还原生成过氧化氢的能力。技术研发人员：叶小琴,王朔,裴洛伟,向苇凯,王力萍受保护的技术使用者：浙江奕湃科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9