一种MOF衍生的氮掺杂Ni/NC双功能电催化剂的制备方法及应用

本发明涉及电催化材料，更具体地，涉及一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂的制备方法及应用

背景技术：

1、由于利用传统矿物燃料所带来的环境污染问题，对绿色能源的需求日益增长，这促使全世界努力发展绿色和可再生能源的生产和转换技术。近年来，由于水的容易获得，水裂解引起了人们对能源生产的极大关注。因此，水裂解技术在解决能源危机和环境问题上可以发挥关键作用。水裂解包括析氢反应(her)和析氧反应(oer)两种半反应。her是一个双电子传递过程，在阴极产生h2气体。而oer是一个四电子传递过程，在阳极产生o2气体，动力学缓慢，需要更多的能量。因此，提高电解水的反应速率，降低成本成为关键。减少能量输入和提高水分解过程的整体效率是非常可取的，并且需要一种合适的电催化剂。传统的金属基催化材料如ruo2、iro2、pt等被用作oer和her的高效催化剂。但其成本因素和稀缺性限制了其大规模应用。解决这个问题的方法之一是使用过渡金属基催化剂。它们并不那么稀有，相对来说成本低廉，而且储量丰富。然而，低电子导电性、较差的活性、稳定性和较差的质量输运性能是这类电催化剂的主要限制。稳定性问题尝试使用碳基催化剂来解决，如石墨烯、氧化石墨烯、功能化石墨烯、石墨及其金属复合材料。碳基催化剂由于其高导电性而具有双重功能。一方面，它通过提供导电路径来增强电荷转移，从而降低了oer和her所需的过电位，另一方面，在核壳形态上，它为过渡金属提供了保护覆盖层，避免了纳米颗粒聚集。因此，碳和杂原子(n, s和o)掺杂的碳基体在电催化中发挥了多重作用

技术实现思路

1、本发明主要围绕金属有机框架的较差电子导电率以及较弱催化稳定性问题，提出以mof为前驱体制备氮掺杂碳材料以改善上述问题的策略。该策略制备的的ni/nc双功能纳米复合材料,提高了电催化产氢及产氧性能,实现了全分解水的应用。并为其他过渡金属基催化剂电极材料的制备提供一种好的思路和方法。

2、为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:

3、一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂的制备方法，主要包括以下步骤：

4、（1）采用一步水热法，以六水合硝酸镍为镍源，以1,3,5-苯三甲酸(btc)为配体，三聚氰胺为氮源，合成具有不同氮掺杂含量的ni-mof前驱体；

5、（2）将mof前驱体在管式炉中以不同温度进行加热，制备出不同温度下不同掺氮量的ni/nc纳米复合材料。

6、与现有技术相比,本发明的有益效果是:

7、（1）本发明制备的mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂，将mof前驱体在管式炉中以适当的高温进行碳化处理，得到了具有球状形貌的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂。在这球状核壳结构中，n掺杂的碳壳不仅可以使金属纳米颗粒相互隔离，还可以减缓酸/碱对ni金属纳米颗粒的腐蚀，从而延长寿命。此外，随着热解温度的升高，石墨化程度增大。前驱体中的氮在热解过程中掺杂到碳层中形成缺陷，缺陷的形成有利于活性位点的暴露从而增加电催化剂的电荷传递能力。

8、（2）本发明制备的mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂，通过sem对不同掺氮量的催化剂进行形貌分析，发现随着三聚氰胺含量的增加，不难看出看出催化剂表面的ni纳米颗粒变得更加分散。经过电化学阻抗测试发现其具有更高的双层电容值，这说明此mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂具有更大的活性表面积，也就意味着有更多的活性位点，也能印证说明一定量的n掺杂可以抑制ni纳米颗粒的团聚，从而加块反应速率。

9、（3）本发明以mof为前驱体制备氮掺杂ni/nc双功能电催化剂,该体系材料在her和oer反应中都展现出优秀的催化性能,在电流密度为10 ma/cm2时，her过电位为119 mv ,oer过电位为154 mv。本发明采用一步水热法合成具有不同氮掺杂含量的ni-mof前驱体，然后在管式炉中进行加热制备氮掺杂ni/nc双功能电催化剂。因此,本发明为简便地制备低成本高效双功能电催化剂提供了新的途径,也为mof衍生材料在电催化整体水分解领域的应用提供了新的思路。

技术特征：

1.一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤:

2.根据权利要求1所述的一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂的制备方法，其特征在于,步骤(1)中,六水合硝酸镍提供所需镍源。

3.根据权利要求1所述的一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,有机配体为1,3,5-苯三甲酸(btc),有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺（dmf)，甲醇。

4.根据权利要求1所述的一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂的制备方法，其特征在于,步骤(1)中三聚氰胺含量为0-0.05g。

5.根据权利要求1所述的一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,水热条件为加热温度至150-180℃ ,反应时间为5-14h。

6.根据权利要求1所述的一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2) 中,干燥采用真空干燥,温度范围为60-80℃ ,干燥时间为10-15h。

7.根据权利要求1所述的一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,在氩气气氛下,以2-10℃/min的升温速宰升温至400-900℃,保温2-5h。

8.权利要求1-7中任意一项所述方法所制备的一种mof衍生的氮掺杂ni/nc双功能电催化剂在电催化领域的应用。

技术总结本发明提供了一种MOF衍生的氮掺杂Ni/NC双功能电催化剂的制备方法及应用,属于电催化材料技术领域。采用N原子掺杂策略，通过溶剂水热法合成了Ni‑MOF前驱体并进行高温碳化处理获得了具有球状形貌的氮掺杂Ni/NC双功能电催化剂。催化剂中进行N原子掺杂，在一定程度上起到了促进催化剂表面的Ni纳米颗粒分散的作用，从而使其比表面积变大，从而暴露出了更多的活性位点，因此提高了材料的催化活性,有效增强了整体水分解的电化学性能，为解决电解水制氢技术中催化剂活性低及稳定性差、成本较高等难题提供一种新的方法。技术研发人员：吴玲,刘涛,李轩科受保护的技术使用者：武汉科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15