[发明专利]一种基于生物质氮掺杂的过渡金属复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于生物质氮掺杂的过渡金属复合材料及其制备方法，该复合材料先将一种谷物外壳经过酸性处理后进行煅烧形成片状碳化硅，加入具有增溶、分散等作用的生物类表面活性剂，通过微波合成法在碳化硅基底上生长镍钴的氢氧化物前驱体。然后将所得的材料外面涂覆多巴胺，在含氮氛围中进行退火处理，最终合成氮掺杂过渡金属复合材料。采用本方法制备的复合材料，能显著提高其在全水解反应过程中阳极、阴极水分解的催化活性、稳定性和催化效率，表现出良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于生物质氮掺杂的过渡金属复合材料的制备方法技术,属于工业催化技术领域的材料制备技术领域。

背景技术

随着经济的飞速发展，随之而来的是人类社会可持续发展问题，化石能源的过度消耗问题尤其突出。清洁的能源—氢能，因其易存储、零污染以及高能量转换率等特点，有望成为传统化石能源的替代品。电化学催化水分解反应是一种高效制备可再生氢能的有效手段，该反应主要分为水氧化(OER)和水还原(HER)两个反应过程。当前，钌基化合物和贵金属铂基催化剂分别作为OER和HER反应的最佳催化剂，但是由于贵金属本身存在储量少以及生产成本高的特点，导致其在实际的生产应用中受到很大的限制。因此，设计开发出高活性、高稳定性的非贵金属催化剂成为解决电催化析氢析氧的重要解决办法。在已报道的电极材料中，由于氮化物材料的理论容量较高，因此越来越受到关注。特别是，一种填隙化合物M₃N(M＝Fe，Co，Ni)，具有通过理论计算预测的优异电导率，已成为电极材料中具有前景的材料之一。由于出色的导电性，纳米级M₃N电极具有很强的伪电容效应，因此可以提供更高的电容和更出色的电化学动力学。全球每年有大量的生物质资源得不到合理的利用，有些甚至成为了环境污染物。谷类外壳作为主要由有机物质和生物硅组成，是典型的农业废弃物，年产量高达一亿吨，这种生物质是通过光合作用的负碳排放过程产生的。因此，谷类外壳向高级材料的增值转化不仅可以满足废物再利用的需求，而且如果能够以生物质材料制备电化学催化剂，在极大地降低富碳材料生产成本的同时，也能实现生物质资源的可持续利用。

专利CN110743603A公开了一种钴铁双金属氮化物复合电催化剂及其制备方法与应用，该材料以碳布为基底，利用硝酸钴与二甲基咪唑反应，然后加入亚铁氰化钾水溶液，得到氮化铁/氮化钴/碳布复合材料。但该材料在制备过程中，由于需要使用浓硝酸溶液，对生态环境不友好，同时所制备材料的形貌不够均一。专利CN111224088A报道了一种氮化镍@氮掺杂多孔碳球材料及其在锂硫电池中的应用，通过使用硬模板法对碳球进行刻蚀，得到无定形通孔碳材料。需要指出的是采用该合成方法制备的材料可能存在着孔径分布不均匀的问题，不利于电子的传输和转移，电化学活性面积较小。专利CN110433846A公开了一种磷掺杂氮化钴纳米线电催化剂及其制备方法，该材料以钴金属盐和尿素为原料，水为溶剂，碳布为基底，通过水热法在碳布基底表面原位生长氢氧化钴纳米线前驱体阵列；通过在含有磷源的管式炉内煅烧掺磷，制备得到磷掺杂氮化钴纳米线催化剂。该方法在磷化的过程中会产生有毒的磷化氢气体，不利于生态环境的保护。当前，采用生物质富碳材料负载过渡金属氮化物电催化剂的相关报道较少，这在一定程度上限制了其应用。因此，通过生物质处理后得到的复合材料，不仅能够解决生物废弃物的再回收利用，而且所制备的片状碳化硅显著提高材料的热稳定性和化学稳定性，有利于制备得到具有优异催化反应性能的过渡金属复合材料。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题，本申请提供了一种基于生物质氮掺杂的过渡金属复合材料及其制备方法。

技术方案：本发明所述的一种基于生物质氮掺杂的过渡金属复合材料，其特征在于，以复合材料的载体质量计，复合材料中C组分质量百分含量为20wt％～30wt％，N组分质量百分含量15wt％～35wt％，Ni组分质量百分含量为4wt％～15wt％，Co组分质量百分含量为2wt％～15wt％。