[发明专利]一种钨钼基氮碳化物纳米材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种钨钼基氮碳化物纳米材料及其制备方法与应用，本发明采用封装策略将磷钨酸水合物和磷钼酸水合物作为活性物种引入到铜基金属有机骨架化合物中，制备了具有纳米八面体封装结构的钨钼基纳米材料，然后通过高温下与三聚氰胺或双氰胺发生的气相沉积反应，合成了具有丰富Mo_xN/Mo_xC/W_xN/W_xC活性位点的钨钼基氮碳化物纳米电催化材料。所采用的封装作用和原位渗碳反应不仅防止了活性物质的流失，更使其均匀分布。促使来自气相沉积反应的挥发性CN_x物质更加充分的被捕获，致使封装结构中的金属氧化物被氮化，合成了钨钼基氮碳化物纳米材料在低浓度电解液中具备高效的三功能电催化性能。

技术领域

本发明涉及电催化纳米材料技术领域，特别是涉及一种钨钼基氮碳化物纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

即将到来的全球能源危机激发了对环境友好，清洁和可持续能源系统的广泛研究。可再生燃料电池，可充电金属空气电池和水分解电池等清洁能源转化系统，目前都被认为是有前途的环保技术设备。阴极氧还原反应(ORR)，阳极氧释放反应(OER)和阴极氢生成反应(HER)对上述可持续能源系统具有重要的研究意义。高效的电催化剂在这些电化学反应中起着关键性作用，因为它们提高了所涉及的能量转化效率和选择性。到目前为止，Pt基催化剂仍然是碱性介质中最有效的HER和ORR电催化剂，而IrO₂和RuO₂则具有最优的OER活性。但遗憾的是，这些贵金属的稀缺性和较差的稳定性显著阻碍了它们的大规模应用，更重要的是，这些单一的贵金属电催化剂无法在低浓度的同一碱性介质中同时满足清洁能源设备中所需的ORR/OER或OER/HER等双功能电催化活性，甚至是ORR/OER/HER三功能电催化活性。

其中利用MOFs作为模板或前驱体制备无机纳米材料引起了研究者们极大的兴趣。由于MOFs中金属离子和有机配体成周期性的排列，这使得由MOFs转化得到的纳米材料具有明确的结构和化学组成。此外，由于组成MOFs的金属离子以及有机配体种类繁多，MOFs中各组分之间的配位强度以及热稳定性也各不相同，因此通过选择不同的MOFs前驱体或调节不同的反应条件可以合成出各种不同类型的纳米材料。研究者发现，MOFs的热解可以产生多种多样的多孔碳纳米材料，包括金属氧化物/金属硫化物/金属磷化物基多孔碳复合材料等。另外，通过对MOFs进行改性，也可得到性能优异的功能材料。这些MOFs基纳米材料在光/电催化、储能、传感器、吸附等领域展现出了很好的应用前景。因此，采用MOFs基材料已成为化学及新型功能材料领域的研究热点，迫切需要开发出廉价高效的多功能电催化材料以实现具有成本效益的能量转换。

发明内容

本发明的目的是提供一种钨钼基氮碳化物纳米材料及其制备方法与应用，以解决上述现有技术存在的问题，本发明通过在具有独特结构的Cu基MOFs(铜基金属有机骨架化合物)中发生的封装作用和原位渗碳反应，采用简便的MOFs辅助合成策略制备了具有丰富电催化活性位的多孔钨钼基氮碳化物(MoWN/MoWC@N-C)纳米八面体电催化材料。

本发明将客体分子磷钼酸水合物(POM)和磷钨酸水合物(POW)作为前驱体引入铜基金属有机骨架化合物中，配合高温条件下与三聚氰胺或双氰胺发生的气相沉积反应策略，制备得到了具有丰富Mo_xN/Mo_xC/W_xN/W_xC活性位点和高催化活性的多孔钨钼基氮碳化物(MoWN/MoWC@N-C)纳米八面体电催化材料。整个碳化和氮化过程中都被限制在了MOFs衍生的氮碳基质中，有效防止了钨钼基氮碳化物活性物种的团聚和流失，使其能够更加充分的在低浓度电解液特别是0.1mol/L KOH溶液中发挥其ORR/OER/HER的三功能电催化活性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种钨钼基氮碳化物纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将磷钨酸水合物和/或磷钼酸水合物引入到铜基金属有机骨架化合物中，制备出具有封装结构的纳米八面钨钼基纳米材料；