[发明专利]一种氮磷共掺杂的多孔碳片/过渡金属磷化物复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种氮磷共掺杂的多孔碳片/过渡金属磷化物复合材料的制备方法，该制备方法采用一种简易且新颖的“自我模板和重结晶自我组装”策略，一步合成过渡金属基磷化物封装在氮磷共掺杂的多孔碳片中。本发明制备方法简单，可大规模生产氮磷共掺杂的多孔碳片/过渡金属磷化物复合材料，并且作为催化剂应用于电催化析氢反应中。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，特别涉及一种氮磷共掺杂的多孔碳片/过渡金属磷化物复合材料的制备方法，及制备的该复合材料在电催化析氢反应中作为阴极析氢催化剂的应用。

背景技术

自20世纪70年代初以来，分子氢（H₂）一直被认为是一种能量载体。实现H₂作为能量载体是理想的，因为它是每单位质量能量密度最高的分子，当在发动机中燃烧或在燃料电池中转化为电能时，它作为能量载体只产生副产品水。相比之下，碳基燃料产生水和二氧化碳。

尽管氢是地球上最丰富的元素，但它不是作为游离分子存在的，因此，需要有效且可持续的H₂生产技术。今天，大多数H₂是通过蒸汽重整过程从化石资源中产生的，其中蒸汽与碳氢化合物反应产生H₂和CO₂。这种H₂生产方法消耗化石燃料并且排放CO₂。一种清洁和可再生的H₂生产方法是使用可再生能源，特别是太阳能电解水。电化学水分解，首次观察于1789年，是分为两个半电池反应：析氢反应（HER）和析氧反应（OER）。 HER和OER需要催化剂来降低电化学过电位（过电位是给定电化学反应的热力学势和实际应用所需的电位之间的差异）。 铂族金属是最有效的催化剂，但是，这些贵金属在地球上是非常稀缺的，不能规模化的用于HER反应来产生H₂。因此研究一种环境友好、价格低廉、储量丰富的析氢反应电催化剂非常重要。近年来，过渡金属基磷化物因其高效的催化性能受到了国内外学者的密切关注。尽管如此，过渡金属基磷化物似乎没有得到充分的探索，可能是因为缺乏合适和可行的制备方法。此外，目前的磷化物合成路线通常很复杂，需要使用次磷酸钠（NaH₂PO₂）或高沸点有机溶剂作为磷源。因此，这些方法对于低成本大规模生产不具有竞争力。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种氮磷共掺杂的多孔碳片/过渡金属磷化物复合材料的制备方法，该制备方法采用一种简易且新颖的“自我模板和重结晶自我组装”策略，一步合成过渡金属基磷化物封装在氮磷共掺杂的多孔碳片中。本发明制备方法简单，可大规模生产氮磷共掺杂的多孔碳片/过渡金属磷化物复合材料，并且作为催化剂应用于电催化析氢反应中。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氮磷共掺杂的多孔碳片/过渡金属磷化物复合材料的制备方法，该制备方法具体为：将过渡金属醋酸盐溶解于水中，配制过渡金属醋酸盐溶液，往过渡金属醋酸盐溶液中加入碳源，搅拌溶解，再加入含有磷酸基团的磷源，一直搅拌，直至从浆液状态变成固态状态，然后干燥；将干燥好的样品放入惰性氛围的管式炉中煅烧，即可获得氮磷共掺杂的多孔碳片/过渡金属磷化物复合材料。

作为本发明优选的，上述制备方法中，所述碳源为三聚氰胺，三聚氰胺在本发明中既为碳的来源，也作模板剂使用。

作为本发明优选的，上述制备方法中，所述磷源为质量分数为70%的植酸水溶液。

作为本发明优选的，上述制备方法中，所述过渡金属醋酸盐为四水合乙酸钴、四水合乙酸镍、四水合乙酸钴和四水合乙酸镍的混合物中的其中一种。

作为本发明优选的，上述制备方法中，所述过渡金属元素、C、P的摩尔比为0. 1∶3∶2.6~0.2∶3∶2.6。

作为本发明优选的，上述制备方法中，所述过渡金属醋酸盐为四水合乙酸钴和四水合乙酸镍的混合物时，Co和Ni的摩尔比为1∶1。