[发明专利]一种催化剂用碳化钼纳米棒及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种催化剂用碳化钼纳米棒及其制备方法与应用，本发明的制备方法包括步骤如下：将三氧化钼和次黄嘌呤分散于去离子水中，得到分散液，将所得分散液进行水热反应，反应完毕后自然冷却至室温，经离心、洗涤、干燥，得到前驱体纳米棒，将前驱体纳米棒在惰性气体下煅烧，自然冷却至室温，得到碳化钼纳米棒。本发明所制备的碳化钼纳米棒在碱性介质中表现出优异的析氢反应催化性能，具有较小的过电位和塔菲尔斜率。本发明的方法制备工艺简单，成本低廉，不采用毒性较强和对环境危害较大的试剂，对环境无污染，绿色环保，适合进行工业化生产，具有很好的大规模商业化制备和应用前景。

技术领域

本发明涉及一种催化剂用碳化钼纳米棒及其制备方法与应用，属于纳米催化材料技术领域。

背景技术

氢能源是一种具有高能量密度和无污染的可再生能源，作为高效能源在燃料电池中具有很大的应用潜力。到目前为止，电解水制氢是最理想的产氢方式，而电解水制氢的效率很大程度上取决于所使用的析氢反应催化剂。现今铂基催化剂是析氢反应的最有效的催化剂，但是由于价格昂贵以及稀有性极大地限制了该类催化剂的大规模实际应用。因而，开发低成本、催化高效的析氢催化剂具有重要意义。

碳化钼作为过渡金属碳化物的主要成分，最初主要应用于烷烃异构化、加氢和脱氮反应。密度泛函理论表明钼的d轨道和碳的s、p轨道杂化会导致碳化钼d带结构拓宽，形成类Pt的d带结构，同时由于其具有较高的导电性和价格低廉等优点，有望成为替代Pt的高效非贵金属析氢反应催化剂。2012年Hu课题组首次报导大块的碳化钼在酸性和碱性中均表现出较好的催化性能。目前，碳化钼的传统合成方法是“气固相合成法”，即三氧化钼在富碳气体(如CH₄/H₂，CO/H₂)等还原性气氛下，高温碳化获得，但是该方法可控性差，制备的碳化钼粒径较大(微米级别)，并且涉及气固多相反应，以及使用含碳气体，危险性较大。因此，为提高碳化钼的催化性能，可通过制备纳米结构的碳化钼来实现。例如：中国专利文件CN109126844A提供了一种碳化钼纳米片及其制备方法与应用，所述方法为将钼源、硝酸铵、甘氨酸混合均匀，之后加热至160～180℃，得到混合物，加入葡萄糖，加热至230～280℃，得到蓬松固体，在氢气气氛下加热至450～550℃，降温得到碳化钼纳米片，但是该方法比较复杂，所需原料较多，且使用氢气还原，实验操作安全性差。中国专利文件CN110422846A提供一种碳化钼纳米材料的合成方法，包括步骤如下：将清洗后的碳布置于三氧化钼粉末上方，之后置于化学气相沉积装置中，在惰性气体气氛中加热反应，降温得到生长有多孔碳化钼纳米结构的碳布，但是，该方法的沉积效率比较低，不适于工业化生产。中国专利文件CN107500296A提供了一种一维棒状β-Mo₂C的可控合成，包括步骤：将仲钼酸铵溶于去离子水与硝酸的混合溶液中水热反应得到具有均匀棒状形貌的三氧化钼，在CH₄/H₂混合气体中高温碳化，得到一维棒状形貌的碳化钼。但是该方法使用含碳气体，在生长的过程中容易使碳在碳化钼表面堆积，遮盖活性位点降低催化效率，并且涉及到气固多相反应，合成的催化剂出现纵度差异。

目前，由于缺乏合适的碳前驱体和钼相互作用形成均一的纳米结构，纳米碳化钼的可控合成仍然具有很高的挑战性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种催化剂用碳化钼纳米棒及其制备方法与应用，本发明的方法制备工艺简单、绿色环保，能够大规模商业化制备，所得碳化钼纳米棒具有较高的析氢催化活性。

本发明的技术方案如下：

一种催化剂用碳化钼纳米棒的制备方法，包括步骤如下：

将三氧化钼和次黄嘌呤分散于去离子水中，得到分散液，将所得分散液进行水热反应，反应完毕后自然冷却至室温，经离心、洗涤、干燥，得到前驱体纳米棒，将前驱体纳米棒在惰性气体下煅烧，自然冷却至室温，得到碳化钼纳米棒。

根据本发明，优选的，所述的三氧化钼和次黄嘌呤的摩尔比为1：0.72-1.2。