[发明专利]一种双碳耦合过渡金属镍基量子点电催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于材料、能源技术领域，具体为一种双碳耦合过渡金属镍基量子点电催化剂及其制备方法。采用二维镍基沸石咪唑骨架薄片/氧化石墨烯作为前驱体，通过一步低温裂解法将其原位转化为二维氮掺杂多孔碳包覆的过渡金属镍基量子点/石墨烯异质复合材料。该复合材料形成独特的多孔碳和石墨烯“双碳”耦合金属量子点结构，具有界面作用强、比表面积大、导电性高、氮掺杂和缺陷丰富以及金属量子点均匀分散等特点；作为双功能电催化剂，用于析氢反应和析氧反应时，显示出优异的电催化活性和稳定性；是一种高效、经济的新型全水分解电催化剂。本发明制备工艺简单，成本低廉，可以实现大规模制备。

技术领域

本发明属于材料、能源技术领域，具体涉及一种双碳耦合过渡金属镍基量子点电催化剂及其制备方法。

背景技术

随着化石能源的枯竭和环境污染问题的加剧，人们正在寻求新能源以取代传统化石能源。 氢能作为一种清洁、可再生能源吸引了全世界研究人员的广泛关注。通过电解水制氢是一种符合可持续发展的实用性技术，其所耗电能可由风力发电，太阳能电池等所提供。电解水反应的核心主要涉及析氢（HER）和析氧（OER）两个半反应，但是由于其过程中涉及到多步的质子/电子耦合转移过程，其反应热力学和动力学较慢，导致在电解水析氢和析氧的过程中需要较高的过电势。为解决这一问题，迫切地需要电催化剂，用于降低反应能垒和提高反应速率。目前，由铂、铱和钌等贵金属所组成的催化剂是电解水产氢产氧最有效的一种电催化剂，但是由于它们在自然界的储备有限，成本较高，难以满足工业化大规模应用。因此，研发高效稳定，价格低廉、储量丰富的电催化剂来替代贵金属催化剂势在必行。而能够同时对析氢和析氧反应进行有效催化的双功能水分解电催化剂可以实现在同一介质中的全分解水反应，极大地降低电极制备成本，简化生产工序，因此具有更加广阔的应用前景。但是如何能够设计并制备高活性、稳定、廉价易得的双功能电催化材料，仍然是个挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、低成本的双碳耦合过渡金属镍基量子点电催化剂及其制备方法。

本发明提供的双碳耦合过渡金属镍基量子点电催化剂，其制备涉及的原料包括：氧化石墨烯、镍盐、钴盐、铁盐、二甲基咪唑、甲醇等。其制备过程包括：利用复合氧化石墨烯的二维超薄镍基沸石咪唑骨架薄片（2D Ni-ZIF@GO）作为前驱体，惰性气氛保护下，通过一步低温裂解法进行GO的热还原和2D Ni-ZIF@G的碳化过程，原位制备二维氮掺杂多孔碳包覆的过渡金属镍基量子点/石墨烯异质复合材料。该复合材料形成独特的多孔碳和石墨烯“双碳”耦合金属量子点结构，具有界面作用强、比表面积大、导电性高、氮掺杂和缺陷丰富以及金属量子点均匀分散等特点，该复合材料作为双功能电催化剂用于析氢和析氧反应时，显示出优异的电催化特性，在1.0 M的KOH溶液中，对于HER和OER而言，产生10毫安每平方厘米的电流密度仅需过电势为133 和 265 mV； 用作全水分解时，产生10 毫安每平方厘米的电流密度仅需1.475 伏特的电压。是一种高效、经济的新型全水分解电催化剂。该复合材料电催化剂制备所用原料成本低，工艺简单，反应能耗低，可以实现大规模制备。

上述双碳耦合过渡金属镍基量子点电催化剂的制备方法，具体步骤为：

（1）采用共沉淀法制备复合氧化石墨烯的二维超薄镍基沸石咪唑骨架薄片前驱体（2D Ni-ZIF@GO）：称取200 ~ 400 mg的六水合硝酸镍溶解在5~10 mL的甲醇溶液中，将上述溶液与10~20 mL的氧化石墨烯悬浊液充分混合，搅拌10~20 min；进一步将含300~400 mg的2-甲基咪唑甲醇溶液缓慢加入到上述混合液中，在室温下搅拌8~15 min；随后将混合液转移至50 mL的高压灭菌器中，放置于170 ~ 200 ℃的恒温箱中，反应4 ~ 8 h，室温冷却，将产物离心分离，用去离子水清洗3 ~ 4次；最后将产物置于−45 ~ −65 ℃的冷冻干燥机中，冷冻干燥40 ~ 50 h，所得产物记为 2D Ni-ZIF@GO；