[发明专利]一种锰氮共掺杂碳化钼纳米棒及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种锰氮共掺杂碳化钼纳米棒的制备方法，包括如下步骤：S1，将钼源、锰盐和苯胺加入水中超声形成混合浊液，其中，锰原子与钼原子的摩尔比为0.001‑0.5∶1，苯胺与钼原子的摩尔比为1‑10∶1；S2，通过加入无机酸调控混合浊液的pH至3‑6，反应得到锰改性的钼胺前驱体；S3，在还原性的煅烧气氛中煅烧锰改性的钼胺前驱体得到锰氮共掺杂碳化钼纳米棒。本发明还提供由上述的制备方法得到的锰氮共掺杂碳化钼纳米棒及其作为电催化剂的应用。根据本发明的锰氮共掺杂碳化钼纳米棒的制备方法，流程简单、产量高、成本低、且易于大规模生产。

技术领域

本发明涉及电催化制氢，更具体地涉及一种锰氮共掺杂碳化钼纳米棒 及其制备方法和应用。

背景技术

以蓬勃发展的可再生能源(如太阳能、风能等)转换的电能分解水制 氢是实现大规模制备高纯氢气的重要方法。目前市场上使用的电解水制氢催 化剂是铂基贵金属催化剂，其产氢性能突出，但同时也存在价格高昂、储量 有限等问题。因此，探索价格低廉、来源丰富、高效的非贵金属制氢催化剂 具有重要的现实意义。

碳化钼作为一种过渡金属碳化物，因其类铂电子结构、高化学稳定性 以及突出的催化性能而受到关注。但是，碳化钼在制备过程中普遍存在颗粒 团聚、表面污染碳覆盖等问题。同时，由于碳化钼中钼原子未占据的d轨道 密度较大，导致催化剂-氢吸附能(ΔG_H*)过大，不利于氢气的脱附，析氢动 力学缓慢。

发明内容

为了解决现有技术中的碳化钼纳米棒存在的颗粒团聚、表面覆盖污染 碳且不利于脱附氢气等问题，本发明提供一种锰氮共掺杂碳化钼纳米棒及其 制备方法和应用。

本发明提供一种锰氮共掺杂碳化钼纳米棒的制备方法，包括如下步骤： S1，将钼源、锰盐和苯胺加入水中超声形成混合浊液，其中，锰原子与钼原 子的摩尔比为0.001-0.5∶1，苯胺与钼原子的摩尔比为1-10∶1；S2，通过加入无 机酸调控混合浊液的pH至3-6，反应得到锰改性的钼胺前驱体(又称为MoO_x- 胺有机-无机杂化前驱体)；S3，在还原性的煅烧气氛中煅烧锰改性的钼胺前驱 体得到锰氮共掺杂碳化钼纳米棒。

本发明通过锰氮元素共掺杂来优化碳化钼电子结构，降低催化剂-氢吸 附能，加速碳化钼析氢动力学，提高电解水析氢活性。具体地，以锰改性的 钼胺作前驱体，调控前驱体配料中Mn、Mo的元素配比，在还原气氛中煅烧 得到锰氮共掺杂碳化钼纳米棒电催化剂。根据本发明的制备方法得到的锰氮 共掺杂碳化钼纳米棒在拉曼光谱、高倍透射电镜照片中，均不含碳的特征峰、 晶格条纹，表明其表面不含污染碳；同时电感耦合等离子体发射光谱、X射 线光电子能谱等证明Mn、N元素的存在。总之，根据本发明的制备方法流程 简单、经济合理，易于实现大规模生产。

优选地，在所述步骤S1中，将钼源和锰盐超声溶于水中，加入苯胺作 为碳源。

优选地，所述混合浊液中的钼原子的摩尔浓度为0.1-1.0mol/L。在优选 的实施例中，所述混合浊液中的钼原子的摩尔浓度为0.3-1mol/L。

优选地，所述锰原子与钼原子的摩尔比为0.01-0.5∶1。

优选地，所述苯胺与钼原子的摩尔比为2.4-10∶1。

优选地，所述钼源选自七钼酸铵((NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O)、钼酸钠和钼 酸钾中的至少一种。

优选地，所述锰盐选自醋酸锰、硝酸锰和氯化锰中的至少一种。

优选地，在所述步骤S2中，滴加无机酸调节pH至出现黄色沉淀， 40-80℃下反应2-12小时，经抽滤、洗涤、干燥，得到锰改性的钼胺前驱体。 在优选的实施例中，反应物在水浴锅中进行反应，抽滤产物用乙醇进行充分 洗涤。在一个优选的实施例中，60℃下搅拌反应4小时。