[发明专利]一种氮化钒-氮掺杂碳复合材料的制备及应用

说明书

本发明公开了一种氮化钒‑氮掺杂碳复合材料的制备及应用，所述氮化钒‑氮掺杂碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1.将三氯化钒或硝酸钒与六亚甲基四胺按一定配比分别溶于一定量的乙醇中，钒离子的摩尔浓度为0.01~0.5mol L‑1，六亚甲基四胺与钒离子的摩尔比为(0.5~8):1；S2.在连续搅拌下，向六亚甲基四胺的乙醇溶液中逐滴加入钒离子溶液，生成浅绿色的沉淀，为钒离子与六亚甲基四胺形成的有机金属框架材料(V‑MOF)；S3.将此有机金属框架材料(V‑MOF)用无水乙醇反复洗涤，离心分离后真空干燥；S4.将所得有机金属框架材料在氨气氛围中于700~900℃下热处理，得到氮化钒‑氮掺杂碳复合材料。本发明提供的氮化钒‑氮掺杂碳复合材料的制备方法是以三氯化钒或硝酸钒为钒源，以六亚甲基四胺为碳源和氮源，以所形成的钒基有机框架材料为前驱体，通过热处理技术制备得到复合材料。由该制备方法制得的氮化钒‑氮掺杂碳复合材料比表面积大，具有良好的电催化氮还原产氨活性。

技术领域

本发明涉及微纳米复合材料领域，更具体地，涉及一种氮化钒-氮掺杂碳复合材料的制备及应用。

背景技术

作为一种重要的工业原料，氨气被广泛应用于化肥、化工、制药等领域。目前合成氨生产过程主要是采用传统的哈博-博施法(H-B法)，该法在反应过程中需要消耗大量的能量并产生大量的二氧化碳。这与时下倡导的“低碳环保、节能减排”的理念相去甚远，也不利于“双碳”目标的实现。电催化氮还原反应(NRR)能够在常温常压的条件下以水和氮气为原料，通过电化学方法催化合成氨气。与H-B法相比，该法具有低能耗、低碳排放和温和安全等优势，但受到高过电位及析氢反应(HER)的影响，反应的产氨速率和法拉第效率还需要进一步提高，因此需要筛选合适的催化剂，降低NRR的过电位并且抑制HER竞争反应。氮化钒(VN)具有低成本和丰富钒储量等优势，有望成为电催化氮还原制氨的催化剂。但在使用时，氮化钒纳米粒子易发生团聚或堆积，导致其比表面积大幅减小，催化活性位点减少，因此造成催化剂活性下降。研究表明，将纳米粒子分散在某种导电性的基质（如碳材料）中，不仅具有更大的可利用的比表面积和更多的活性位点，而且也具有更好的结构稳定性。这也决定了它在电化学催化领域具有很好的应用前景。最近以金属有机框架材料(MOF)为模板或前驱体，制备得到纳米结构的碳基复合材料及其在电化学储能中的应用成为当前的研究热点之一。采用六亚甲基四胺为配体，通过简单、温和的方法制备出二维结构的钒基有机金属框架，以其为模板，通过热处理和氮化的手段制备氮掺杂的碳片负载的氮化钒纳米粒子，并将其应用于电催化氮还原制氨的研究目前还未见公开报道。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中所述氮化钒的易团聚、稳定性差和催化活性降低的缺陷，提供一种氮化钒-氮掺杂碳复合材料的制备方法，由该制备方法制得的复合材料具有较大的比表面积和稳定的结构。

本发明的另一目的在于提供上述氮化钒-氮掺杂碳复合材料在电催化氮还原产氨中的应用，该法制备的催化剂具有稳定、高催化活性的优点。

本发明提供的一种氮化钒-氮掺杂碳复合材料的制备方法，该方法按如下步骤进行：

S1. 将三氯化钒或硝酸钒与六亚甲基四胺按一定配比分别溶于一定量的乙醇中，钒离子的摩尔浓度为0.05~0.5mol L^-1；六亚甲基四胺与钒离子的摩尔比为(0.5~8):1；

S2. 在连续搅拌下，向六亚甲基四胺的乙醇溶液中逐滴加入钒离子溶液，生成浅绿色的沉淀为钒离子与六亚甲基四胺形成的有机金属框架材料(V-MOF)；

S3. 将此有机金属框架材料(V-MOF)用无水乙醇反复涤洗，离心分离后真空干燥；

S4. 将所得有机金属框架材料在氨气氛围中于700~900℃下热处理，得到氮化钒-氮掺杂碳复合材料。