本發(fā)明涉及電解水制氫，具體涉及一種含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氫氣具有質(zhì)量輕、能量密度高、熱值高、燃燒無污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的能源之一。然而，氫能并不是一種大量存在于自然界的能源資源，而是需要通過人工生產(chǎn)得到。在眾多的制氫方法中，電解水制氫具有制備工藝簡(jiǎn)單、清潔無污染、技術(shù)較為成熟等優(yōu)點(diǎn)，是目前公認(rèn)的應(yīng)用前景最好的制氫方法。

2、電解水制氫(ows)反應(yīng)包括陰極析氫反應(yīng)(her)和陽極析氧反應(yīng)(oer)兩個(gè)半反應(yīng)，her反應(yīng)涉及兩電子轉(zhuǎn)移過程，而oer反應(yīng)則涉及四電子轉(zhuǎn)移過程。目前，電解水制氫的能耗較高(電耗約為4.5kwh/nm3?h2～5.5kwh/nm3?h2)，主要原因在于：oer反應(yīng)的能壘高，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率較慢，嚴(yán)重影響了電解水制氫的效率。研究表明，利用高效催化電極材料來降低反應(yīng)活化能可以有效降低電解水制氫的能耗。因此，在電解水制氫中，如何提高電極催化材料的活性、降低析氧反應(yīng)的過電位以及提高電極材料的穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前，商業(yè)化的電極材料主要是貴金屬材料(例如：用于her反應(yīng)的鉑基材料，用于oer反應(yīng)的釕/銥基材料)，雖然它們的催化性能優(yōu)異，但鉑、釕、銥等貴金屬元素在地球上的儲(chǔ)量十分有限，價(jià)格波動(dòng)大，生產(chǎn)成本高，而且這些貴金屬材料在高電勢(shì)下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，嚴(yán)重限制了其在電解水制氫領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

3、因此，開發(fā)一種催化性能優(yōu)異、穩(wěn)定性好、生產(chǎn)成本低、原料來源廣的電極材料具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料及其制備方法和應(yīng)用。

2、本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

3、一種含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料，其組成包括多孔炭基體和原位生長(zhǎng)在多孔炭基體表面的碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)層；所述碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)層的組成包括碳化鉬和氮化鉬。

4、一種如上所述的含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料的制備方法包括以下步驟：

5、1)將木材橫向切片，再置于保護(hù)氣氛中進(jìn)行碳化，得到多孔炭；

6、2)將多孔炭作為工作電極置于含鉬源的電解液中進(jìn)行電沉積，得到表面原位生長(zhǎng)有鉬的氧化物的多孔炭；

7、3)將表面原位生長(zhǎng)有鉬的氧化物的多孔炭和三聚氰胺置于保護(hù)氣氛中升溫進(jìn)行反應(yīng)，即得含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料。

8、優(yōu)選地，步驟1)所述木材為灌木、喬木中的至少一種。

9、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟1)所述木材為楊木。

10、優(yōu)選地，步驟1)所述保護(hù)氣氛為氮?dú)鈿夥栈驓鍤鈿夥铡?/p>

11、優(yōu)選地，步驟1)所述碳化在溫度為300℃～1000℃的條件下進(jìn)行，碳化的時(shí)間為1h～15h。

12、優(yōu)選地，步驟2)所述含鉬源的電解液中的鉬源為鉬鹽。

13、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟2)所述含鉬源的電解液中的鉬源為七鉬酸銨、鉬酸鈉、五氯化鉬中的至少一種。

14、優(yōu)選地，步驟2)所述含鉬源的電解液中的鉬源的濃度為0.001mol/l～3mol/l。

15、優(yōu)選地，步驟2)所述含鉬源的電解液中的溶劑為水、乙醇、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、n,n-二甲基甲酰胺、乙二胺中的至少一種。

16、優(yōu)選地，步驟2)所述電沉積在沉積電位為0v～-2.0v(相對(duì)于參比電極)的條件下進(jìn)行，電沉積的時(shí)間為0.1h～10h。

17、優(yōu)選地，步驟3)所述保護(hù)氣氛為氮?dú)鈿夥栈驓鍤鈿夥铡?/p>

18、優(yōu)選地，步驟3)所述反應(yīng)在溫度為200℃～1000℃的條件下進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間為0.5h～5h。

19、一種如上所述的含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料在電解水制氫中的應(yīng)用。

20、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料用作電解水制氫的電極材料具有催化性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低電解水制氫的能耗以及提高電解水制氫的效率，且其生產(chǎn)成本低、原料來源廣、制備方法簡(jiǎn)單，適合進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

21、具體來說：

22、1)本發(fā)明的含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料的組成包括多孔炭基體和原位生長(zhǎng)在多孔炭基體表面的碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)層，多孔炭基體具有良好的導(dǎo)電性和高比表面積，可以提供豐富的反應(yīng)活性位點(diǎn)和電子傳輸通道，而碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以提高活性位點(diǎn)的活性，同時(shí)暴露出更多的活性位點(diǎn)，進(jìn)而可以提高電催化活性，此外，碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能可以通過控制電解液中的鉬源的濃度、沉積電位和沉積時(shí)間以及三聚氰胺的用量進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，重復(fù)性好；

23、2)本發(fā)明的含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料具有三維分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)、低曲率微通道、可調(diào)的親/疏水性和良好的機(jī)械性能，電化學(xué)活性面積大，本征電化學(xué)活性高，調(diào)節(jié)了電子結(jié)構(gòu)，降低了水解離能壘，可以為電解水構(gòu)建高效的氣-液-固三相反應(yīng)界面，且采用木質(zhì)炭作為基底有利于進(jìn)一步降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本；

24、3)本發(fā)明的含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和較高的機(jī)械強(qiáng)度，能夠有效抵抗體積膨脹和結(jié)構(gòu)破壞，展現(xiàn)出優(yōu)異的電解水性能和穩(wěn)定性；

25、4)本發(fā)明的含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料的生產(chǎn)成本低、原料來源廣、制備方法簡(jiǎn)單，適合進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料，其特征在于，組成包括多孔炭基體和原位生長(zhǎng)在多孔炭基體表面的碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)層；所述碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)層的組成包括碳化鉬和氮化鉬。

2.一種如權(quán)利要求1所述的含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：步驟1)所述木材為灌木、喬木中的至少一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于：步驟1)所述碳化在溫度為300℃～1000℃的條件下進(jìn)行，碳化的時(shí)間為1h～15h。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：步驟2)所述含鉬源的電解液中的鉬源為鉬鹽。

6.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的制備方法，其特征在于：步驟2)所述含鉬源的電解液中的鉬源的濃度為0.001mol/l～3mol/l。

7.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的制備方法，其特征在于：步驟2)所述含鉬源的電解液中的溶劑為水、乙醇、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、n,n-二甲基甲酰胺、乙二胺中的至少一種。

8.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的制備方法，其特征在于：步驟2)所述電沉積在沉積電位為0v～-2.0v的條件下進(jìn)行，電沉積的時(shí)間為0.1h～10h。

9.根據(jù)權(quán)利要求2、3和5中任意一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于：步驟3)所述反應(yīng)在溫度為200℃～1000℃的條件下進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間為0.5h～5h。

10.一種如權(quán)利要求1所述的含碳化鉬-氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料在電解水制氫中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種含碳化鉬?氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明的含碳化鉬?氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料的組成包括多孔炭基體和原位生長(zhǎng)在多孔炭基體表面的碳化鉬?氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)層，碳化鉬?氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)層的組成包括碳化鉬和氮化鉬。本發(fā)明的含碳化鉬?氮化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炭材料用作電解水制氫的電極材料具有催化性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低電解水制氫的能耗以及提高電解水制氫的效率，且其生產(chǎn)成本低、原料來源廣、制備方法簡(jiǎn)單，適合進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：黃建林,毛鋮威
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6