[发明专利]一种互穿网络结构导电碳基合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种互穿网络结构导电碳基合金材料及其制备方法，具体为取TATB平铺于瓷舟底部，接着将瓷舟和长有过渡金属氧化物纳米阵列的基底材料置于管式炉内，使两者保持一定距离，在惰性或还原性气氛保护下，加热TATB使其经过升华、热解、碳化、还原反应后得到具有三维“森林状”互穿网络结构的导电碳基合金材料。本发明所制备的三维“森林状”互穿网络结构导电碳基合金材料具有大的比表面积，在电解水过程中氮掺杂的碳层可以保护过渡金属，同时形成的三维贯通网络导电结构可以大幅度的提高了催化剂的活性和稳定性。

技术领域

本发明属于纳米结构材料制备技术领域，具体涉及一种三维“森林状”互穿网络结构导电碳基合金材料及其制备方法。

背景技术

随着传统化石能源的日益枯竭和环境污染问题的严重，氢能源的发展和利用逐渐得到人们的青睐。其中，电解水制氢的方法更是吸引了广大科研工作者关注。然而，在实际电解水过程中，由于催化剂材料本身性质、体系阻抗、极化等因素的影响，施加的电压往往大于理论电压，即存在过电势(overpotential)。为了加速电极反应速率、提高效率，减小过电势，电极材料的选择显得尤为重要。早先研究已经表明贵金属(如Pt、Pd、Ru)和贵金属氧化物(如IrO₂、RuO₂)分别在催化析氢(HER)和析氧(OER)反应表现出优异的性能，但它们在地壳中储量有限、造价昂贵，导致其无法在工业中大规模应用。

最近，过渡金属(TMs：Fe、Co、Ni等)及其化合物因其储量丰富、价格低廉，且表现出优良HER-OER双功能催化性能而引起国内外科研人员的研究兴趣，但是这些催化剂的催化活性和稳定性与贵金属比起来还是有一定的差距。为了解决以上问题，科学家通过与碳材料相复合和调整催化剂的形貌来改善其性能。例如，Zhou通过水热和煅烧的方法合成了Co@NC并分散在N掺杂的石墨烯上，在电流密度为10mA cm^-2时，该催化剂的析氢过电势为190mV。这种方法不仅可以通过过渡金属颗粒与相邻碳原子间存在的电子转移来提高催化剂的电催化性能，而且碳材料作为载体可以很好的分散过渡金属或其化合物颗粒，阻止颗粒的团聚进而增加活性位点，同时这些金属颗粒由于碳材料的包袱可以阻碍被电解液腐蚀。在调整形貌方面，研究人员发现在导电基底上直接生长纳米阵列是一种比较好的方法，该方法不仅可以增加活性位点，提高电荷转移，加快传质速率，而且还可以加速气泡的释放。但是，这种结构的催化剂由于存在大的纵横比，使得电势，有效的活性位点和反应动力学从纳米材料顶端到基底逐渐衰弱。针对以上问题，科研人员通过将纳米阵列材料包覆碳材料来构建导电通道，从而提高其电解水性能。尽管科研人员在提高催化剂电解水性能方面做了很多的工作，但目前的催化剂与贵金属相比，在催化性和稳定性方面仍然有很大的提升空间。

发明内容

本发明的目的是针对现有贵金属催化剂储量有限、造价昂贵以及现有其他催化剂电解水性能有待进一步提高的不足，提供一种三维“森林状”互穿网络结构导电碳基合金材料及其制备方法技术。

为了达到上述技术效果，本发明采用如下技术方案：

一种互穿网络结构导电碳基合金材料的制备方法，取TATB平铺于瓷舟底部，接着将瓷舟和长有过渡金属氧化物纳米阵列的基底材料置于管式炉内，使两者保持一定距离，在惰性或还原性气氛保护下，加热TATB使其经过升华、热解、碳化、还原反应后得到具有三维“森林状”互穿网络结构的导电碳基合金材料。

本发明以具有纳米阵列结构的过渡金属氧化物作为骨架和催化剂，以三氨基三硝基苯(TATB)为碳氮源，通过高温碳化及还原过程，将过渡金属或者过渡金属合金镶嵌在氮掺杂的碳层里面形成阵列“枝干”，同时由于过渡金属的催化，在“枝干”表面原位生长出相互交叉的氮掺杂的碳纳米管。

进一步的技术方案为，所述过渡金属氧化物选自Fe，Co，Ni中一种或多种金属的氧化物。