[发明专利]一种氮掺杂钼、钨碳化物纳米材料电催化剂的制备方法

说明书

一种氮掺杂钼、钨碳化物纳米材料电催化剂的制备方法，将聚丙烯腈、N,N‑二甲基甲酰胺、磷钼酸铵水合物、氯化钨水合物混合均匀后，进行纺丝，得到前驱纤维膜；将前驱纤维膜裁剪后进行预氧化，然后在NH₃与Ar的混合气下进行碳化，得到氮掺杂钼、钨碳化物纳米材料电催化剂。本发明制备的氮掺杂钼、钨碳化物纳米材料电催化剂具有交联的三维网状结构，能够作为析氢催化剂，交联结构的碳纤维提供了大的反应载体，加速电子转移。同时采用磷钼酸铵水合物和氯化钨水合物双金属催化剂用于调节其组成和电子结构，通过碳化钼钨的协同与互相改性使得该催化剂在碱性溶液中具有出色的析氢催化性能。

技术领域

本发明涉及一种催化剂的制备方法，具体涉及一种氮掺杂钼、钨碳化物纳米材料电催化剂的制备方法。

背景技术

传统化石燃料不仅储量有限，而且其燃烧也带来温室效应和环境污染问题，基于实现绿色环保发展的理念，开发新型可再生能源将刻不容缓。氢能源由于其高能量密度和环境友好等优点成为目前研究的热点。通过电解水制氢被认为是实现大规模产氢最有前途的生产方法之一。但众所周知，电解水析氢反应的能垒较高，动力学缓慢，通常需要高效的催化剂来加速反应的进程。然而采用贵金属催化剂如Pt、Ir、Ru等带来的经济问题和自然稀缺性限制了电解水产氢在实际中的应用。因此，开发资源丰富，价格低廉的非贵金属电催化剂至关重要。

以钼和钨为代表的一系列过渡金属碳化物因其具有高效的催化效率而被广泛用于催化析氢反应研究。由于其来源丰富、成本低廉、热稳定性良好、酸碱稳定性优异、类铂的表面电子结构和催化性能，并逐渐成为最有发展前景的电解水制氢材料之一。碳化钼催化剂的一些性质还是限制了其在电催化析氢反应中的广泛应用，首先碳化钼颗粒在较高反应温度下不可避免会出现过度生长和聚集等现象，使反应的活性表面积降低，影响了碳化钼的析氢性能；其次碳化钼材料具有强Mo-H键合能力会严重阻碍吸附氢的释放，使析氢反应需要更多的能量，优化钼的电子结构以平衡氢的吸附-解吸，是提高其析氢反应电催化活性的一个关键因素。因此，需要迫切解决这些问题来提高材料的析氢催化性能。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种氮掺杂钼、钨碳化物纳米材料电催化剂的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种氮掺杂钼、钨碳化物纳米材料电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将聚丙烯腈、N,N-二甲基甲酰胺、磷钼酸铵水合物与氯化钨水合物混合均匀后，进行纺丝，得到前驱纤维膜；

2)将前驱纤维膜裁剪后进行预氧化，然后在NH₃氛围下进行碳化，得到氮掺杂钼、钨碳化物纳米材料电催化剂。

本发明进一步的改进在于，磷钼酸铵水合物与氯化钨水合物的摩尔比为1:1。

本发明进一步的改进在于，聚丙烯腈与磷钼酸铵水合物的比为0.8-1.5g：0.5-1.5mmol。

本发明进一步的改进在于，聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的比为0.8-1.5g：10mL。

本发明进一步的改进在于，纺丝的条件为：蠕动泵推进速率为1.2-1.7mL/h，外加电压为15-23kV，注射器的针尖距纺丝收集器18-22cm。

本发明进一步的改进在于，预氧化的温度为240-320℃，时间为1-5h。

本发明进一步的改进在于，自室温以2℃/min的升温速率升温至240-320℃。

本发明进一步的改进在于，碳化的温度为700-900℃，时间为1-5h。

本发明进一步的改进在于，自室温以5℃/min的升温速率升温至700-900℃。