[发明专利]纳米片-纳米棒耦合三维复合材料Ni-Co改性碳化钼电催化制氢催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米片‑纳米棒相耦合的三维纳米复合材料Ni‑Co改性碳化钼电催化制氢催化剂及其制备方法，催化剂为纳米棒结构，同时纳米棒表面覆盖有褶皱的纳米薄片结构；此外，双元金属Ni和Co高度均匀的分散在催化剂的表面；金属Ni和Co的摩尔比为1:0–1:1；制备方法为：以MoO₃纳米棒为支撑网络，加入醋酸镍和钴盐充分搅拌形成悬浮液；将上述悬浮液置于60–90℃水浴中剧烈搅拌4‑7小时，静置过夜，过滤、洗涤、干燥，经450‑550℃空气气氛焙烧；本发明利用碳化钼材料与负载金属间的表/界面效应，以及基于材料本身特殊的形貌特征，实现金属Ni和Co的高度分散，催化活性位点充分暴露；同时，得益于碳化钼基底与负载金属间的强相互作用，有效提高催化材料的稳定性。

技术领域

本发明属于电催化制氢技术领域，具体涉及一种纳米片-纳米棒三维复合结构Ni-Co/MoC_x电催化制氢催化剂及其制备方法。

背景技术

氢能是一种理想的清洁能源载体，具有巨大的开发价值和研究意义。其能量密度高，发热值远高于化石燃料、化工燃料和生物燃料等，具有热能集中、热损失小的优势，可满足于人类生产生活的需要，氢能源的开发意义重大，是一项推动人类文明进步的重大举措。电解水制氢技术是目前生产氢能源的一种有效方法，研究开发高效稳定的HER催化剂成为研究热点。

目前性能最好的电解水制氢材料是Pt族纳米材料，但其储量有限、成本昂贵，限制了其广泛应用。近年来，为了降低成本和实现大规模商用的目的，研究者们一方面通过对Pt基材料的微观纳米结构和组成进行有效调控和优化，从而降低贵金属使用量，研发了多种性能优异的HER电催化材料；另一方面，发展高效、廉价的催化材料对于未来电解水制氢工业的发展具有重要意义。其中，由于资源丰富、价格便宜，3d过渡金属(3d-TMs)是非常有前景的HER电催化材料，比如金属Fe、金属Co、金属Ni等，但是这些金属一般在酸性介质中不稳定，不利于该类催化剂的应用，为了能够替代传统的贵金属基催化剂，提高 3d-TMs的HER电催化活性及稳定性是这类催化剂研究的关键。

过渡金属碳化物是一种优良的非贵金属析氢催化剂。研究至今，已被广泛报道，碳化钼作为其中的一员，被研究的最为广泛。众多研究者从晶型的调变、微观形貌的调控、杂原子的掺杂以及与导电性能优良的炭基材料的复合等对碳化钼基电催化材料展开深入的研究探讨，尽管他们已展现出一定程度的性能改善，但仍有性能提升的巨大空间。同时，碳化钼也是一种性能优良的催化剂载体；其中，碳化钼材料与负载金属间强相互作用的存在引起研究者们的广泛关注，在强相互作用的驱动下，负载金属的电子状态得到载体的有效调变，从而有利于活性金属的分散以及稳定。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种纳米片-纳米棒耦合三维纳米复合材料 Ni-Co/MoC_x电催化制氢催化剂。该催化剂原料来源广泛、成本低廉，且在酸性条件下表现出极高的电催化制氢活性以及稳定性，可以代替现阶段使用最广的铂基电催化剂。

本发明的目的之二是提供上述三维纳米复合材料的制备方法。该方法制备工艺操作简单且可控性强，生产过程风险低，有利于放大规模。

本发明首先利用钼酸盐前驱体的一维生长特性，通过水热合成技术制备得到MoO₃纳米棒；然后以MoO₃纳米棒作为支撑，有效分散NiCo复合氧化物纳米片，从而形成纳米片-纳米棒相耦合的三维纳米结构；上述三维纳米复合材料经过程序升温碳化过程，特殊的立体形貌得以有效保持，使其催化活性位点充分暴露，缩短了电化学过程中电子以及离子的传输路径，加快电荷传递速率，从而提高材料利用效率，实现高效产氢。

本发明具体通过以下技术方案实现