[发明专利]一种多级结构过渡金属氮化物电极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种多级结构过渡金属氮化物电极材料及其制备方法，本发明采用溶液浸渍法先在泡沫铜基底上原位生长氢氧化铜纳米线阵列，然后于含金属盐以及尿素的溶液中，用水热法形成局部酸性而造成局部腐蚀作用，使得氢氧化铜纳米线出现溶解形成中空管状的多级结构，最后通过程序升温的方法将其氮化，在不破坏其结构的前提下成功制备出具有中空管状结构的多级结构过渡金属氮化物电极材料。该材料表示为MN_x/Cu₃N/CF，其结构特点是：Cu₃N纳米中空管生长在泡沫铜金属基底上，MN_x生长在Cu₃N纳米中空管外壁形成一种三维多级中空管状结构。

技术领域：

本发明涉及多级结构电极材料的制备技术，具体涉及一种多级结构过渡金属氮化物电极材料及其制备方法。

背景技术：

在过去的几十年中，人们在多级结构纳米阵列材料的设计及制备上进行了大量的研究。这种多级结构纳米阵列材料往往由两种或以上不同组分构成，其中每种组分至少在一个维度上是纳米尺度。多级结构纳米阵列材料的性质不仅取决于其组分，还取决于结构、其中组分的晶相和暴露的晶面、不同组分间的界面等。通过巧妙的设计，这种多级结构纳米阵列材料能够克服单一组分的缺点，并整合各个组分的优点，甚至能达到产生新性质和新功能的目的。由于此特点，通过合理的设计以及控制合成，多级结构纳米阵列材料在许多研究领域都有着广泛的应用，如能量转换、能量储存、分析检测等。

近年来，用多级结构纳米阵列材料作为电极材料的报道屡见不鲜，杨等人[Chem.Commun.,(2018),54,78--81]在泡沫铜基底上构筑了多级结构CuCoS₄纳米阵列并以此作为OER电催化剂，在1M KOH电解液中仅需要295mV的过电位来驱动100mA/cm²的电流密度，其Tafel斜率为110mV/dec；李等人[Adv.Funct.Mater.(2018),1705937]以泡沫镍为基底设计出多级结构NiCo₂S₄@NiCo₂S₄纳米阵列，并以此作为碱性电池的电极，在240mA/cm²的高电流密度下也能取得4.43mAh/cm²的高放电比容量，并且具有良好的循环稳定性。

事实上，尽管以核-壳结构为基础的多级结构纳米阵列可以改善电极材料的机械稳定性和电化学稳定性，但一般情况下，其结构中的一维纳米线(核)主要起到电子传输的作用，其电化学活性往往偏低。换句话说，虽然核壳纳米结构有利于离子和电子在电解质和电极间的传递，但是这远远不够，我们还必须进一步提高它们之间的传递效率，来进一步提升活性组分的使用效率。因此，合理的设计一种具有中空管状核壳纳米结构作为电极有望提升电极材料在各种电化学方面上的性能。一方面，多级的壳可以增加电极材料的比表面积，提升活性组分的负载量，另一方面，中空管状结构可以让电解质扩散进纳米管中，缩短电子扩散路径，加速电荷的有效转移。

过渡金属氮化物被认为是一种填隙式合金，具有良好的抗腐蚀性、高导电率、化学稳定性等优点，近年来，许多文章报道了过渡金属氮化物在诸如超级电容器、电催化、电化学检测等多种电化学方面的应用。例如郑等人[Adv.Funct.Mater.(2017),1704169]制备出具有由整齐排布的多孔CuCoN_x纳米片组成的纳米阵列，并证明其在电催化HER、OER以及选择性苯甲醇氧化上均有良好的性能。

因此，采用过渡金属基氮化物作为多级结构的壳，并以Cu基氮化物空心管作为多级结构的核，相比于过渡金属氧化物以及氢氧化物来说，金属氮化物具有更好的导电性；通过合理的设计，在提供一个良好的导电一维结构的同时兼顾了提高电解质与电子传输的优点，同时由于两种金属氮化物之间存在的协同效应，能够进一步提升其电化学性能。所以通过这种方法有望设计出一种具有良好电化学性能的电极材料。此外，通过控制多级结构的壳层材料种类，可以制备出可应用于不同电催化类型的电极材料。

发明内容：