[发明专利]一种氮磷共掺杂碳负载过渡金属磷化物的普适性制备方法

说明书

本发明涉及一种氮磷共掺杂碳负载过渡金属磷化物的普适性制备方法，以三聚氰胺多聚磷酸盐(melamine polyphosphate)作为碳源、氮源和磷源，与过渡金属原料复合后经高温煅烧得到氮磷共掺杂碳负载的过渡金属磷化物。本发明提供的制备方法中，三聚氰胺多聚磷酸盐热解得到氮磷共掺杂碳材料，同时将过渡金属原料转化为对应的磷化物，实现了碳负载过渡金属磷化物的一步合成。与现有技术相比，本发明无需繁琐的前驱体制备及磷化处理流程，显著精简了碳材料负载过渡金属磷化物的制备工艺。此外，本发明所提供的方法，原料成本低廉、普适性强、操作简单，可实现规模化制备碳负载过渡金属磷化物，具有重要应用价值。

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，涉及一种氮磷共掺杂碳负载过渡金属磷化物的普适性制备方法。

背景技术

过渡金属磷化物可视为磷原子以掺杂的方式占据金属晶格所形成的二元合金，磷原子的引入可削弱金属原子间的相互作用力，导致d带中心偏移，同时靠近费米能级的态密度也随之增加。这种独特的电子结构赋予过渡金属磷化物优异的物理化学性能，在储能、催化、电子等领域展现出重要应用前景。高效合成是材料规模化应用的基础，然而过渡金属磷化物在制备过程中极易团聚，导致阻抗增加，造成性能不佳。引入碳材料可有效解决以上问题，并显著提升过渡金属磷化物的综合电化学性能。

目前，碳负载过渡金属磷化物材料的合成方法已有报道，但仍面临操作繁杂、成本高等问题，难以满足规模化生产与应用的需求。常见报道的这类材料的合成方法通常分为以下三步：1)制备碳载体，2)在碳材料表面负载过渡金属材料前驱体，3)采用磷单质或次磷酸钠磷化处理得到碳负载的过渡金属磷化物。例如，如专利“张素风，魏宁等，一种氮掺杂碳纤维负载锆诱导的过渡金属磷化物及制备方法[P]，申请号2020113766902”，先将细菌纤维素表面原位聚合的聚吡咯碳化得到碳载体，然后通过水热反应在碳材料表面构筑过渡金属盐前驱体，最后经过次磷酸钠磷化处理得到目标产物。这类方法涉及多步合成、操作繁琐，不利于规模化制备。更糟糕的是，次磷酸钠分解产生的高毒性PH₃气体会威胁人员健康和生态环境。专利“李灿，孙福侠等，过渡金属磷化物的制备方法[P]，申请号200410006721X”公开的方法中，以氢气为还原剂，通过程序升温还原过渡金属磷酸盐，亦可制备过渡金属磷化物。但该方法涉及氢气的使用，存在安全隐患。此外，三辛基膦、三苯基膦等有机含磷化合物也可在有机溶剂中合成过渡金属磷化物。如文献“Pan Yuan，Lin Yan等，Cobaltphosphide-based electrocatalysts:synthesis and phase catalytic activitycomparison for hydrogen evolution[J]，J.Mater.Chem.A,2016,4,4745-4754”以油胺为溶剂、三辛基膦为磷源，通过溶剂热反应制得了碳纳米管负载的磷化钴材料。然而，有机溶剂及膦化物闪点低、易挥发，有机膦化物毒性高，须对操作人员进行专业技能培训。综上，碳负载过渡金属磷化物的快捷、高效、可控制备仍存在重大技术瓶颈。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种氮磷共掺杂碳负载过渡金属磷化物的普适性制备方法，以三聚氰胺多聚磷酸盐(melamine polyphosphate)与过渡金属为原料，在惰性气氛条件下一步煅烧得到氮磷共掺杂碳负载过渡金属磷化物。三聚氰胺多聚磷酸盐是常用的灭火剂原料，价格低、稳定性好。本发明以三聚氰胺多聚磷酸盐为碳源、氮源和磷源，在煅烧过程中得到氮掺杂碳，并将过渡金属原料转化为磷化物。本发明与其他氮磷共掺杂碳负载过渡金属磷化物的制备方法相比，无需额外添加碳源、氮源和磷源，极大精简了操作步骤和制备流程，实现了碳负载过渡金属磷化物的快捷、高效、可控合成。本发明操作简单、成本低、普适性强、可宏量制备碳负载过渡金属磷化物，具有重要应用前景。

技术方案