[发明专利]一种一维多孔纳米复合材料及其制备方法和在电解水中的应用

说明书

本发明提供一种Ni₃ZnC_0.7@C一维多孔纳米复合材料及其制备方法和在电解水中的应用。本发明以有机分子插层的层状氢氧化镍锌作为单一前驱体，在惰性气氛中经过简单的一步固态热解得到一维新型碳化锌镍/石墨碳多孔纳米复合材料(Ni₃ZnC_0.7@C)。该Ni₃ZnC_0.7@C多孔纳米棒具有均匀的形貌，粒子尺寸均匀，高分散、高结晶度，大的比表面积，强界面相互作用等结构特点。将制备得到的Ni₃ZnC_0.7@C多孔纳米棒用于催化电解水制氢中，表现出高催化活性，过电势可低至151mV(i＝10mA/cm²)，同时具有极好的稳定性(10h测试性能保持98％以上)和极强的耐腐蚀性。

技术领域

本发明属于复合催化剂技术领域，具体而言，涉及一种Ni₃ZnC_0.7@C一维多孔纳米复合材料及其制备方法和在电解水中的应用。

背景技术

近年来化石能源的过度开采和使用，带来了严重的环境污染且作为一种不可再生资源日渐枯竭，寻找一种可再生的新能源代替传统的化石能源迫在眉睫。氢气作为一种清洁可再生的新能源，具有能量密度高、实现零碳排放等优异性能，引起人们的广泛关注。电解水制氢是制备氢能源的一条重要途径，寻求一种高效的电催化剂成为研究的重点。目前，电催化活性最高的催化剂是铂，钯等一类贵金属及其相应的复合物，但这一类催化剂价格高昂，地球存储量低且在碱性环境下易中毒失活，难以实现工业化生产。因此，近几年人们一直致力于寻求一种高催化活性和高稳定性的非贵金属基催化剂。

金属碳化物纳米材料作为一种催化新材料得到了人们广泛的关注，在许多反应中具有类铂的催化活性，可以应用于催化加氢，燃料电池中的电极反应和重整等领域。碳纳米材料具有高稳定性、大比表面积、电子传输能力强等特点，是一种理想的催化剂载体。近年来，人们通过制备金属碳化物/碳纳米复合材料提高催化剂的催化活性和稳定性，其主要的制备方法有电弧放电法，化学气相沉积法，水热碳化法，激光蒸发石墨法等。例如，Ma等人以Zn(Ac)₂，K₃[Co(CN)₆]和PVP为原料，首先经过系列反应制备得到氰化物Zn₃[Co(CN)₆]₂前驱体，然后加入石墨烯，经过固态热解制备出Co₃ZnC负载在石墨烯上的纳米复合材料，粒子尺寸直径在400nm左右。Liu等人以双氰胺作为碳源，Co(NO₃)₂6H₂O、(NH₄)₅H₅[H₂(WO₄)₆]H₂O作为金属源，在惰性气氛保护下，固态热解制备得到Co₆W₆C@C纳米复合材料；Cha等在1100℃下氮气保护气氛下，通过固相反应热解钨盐与模板剂C₃N₄制备得到W₂C@C纳米复合材料。目前，所报道的金属碳化物/碳纳米复合材料多以混合物为前驱体，制备方法复杂，高温耗能，需要使用昂贵的试剂(有机试剂、模板、还原剂等)，难以控制产物的粒子尺寸和分散性，结晶度和纯度较低等，催化活性和稳定性仍有待提高。