[发明专利]一种碳纳米材料限域过渡金属取代多酸的复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种碳纳米材料限域过渡金属取代多酸的复合材料的制备方法及其应用，涉及复合材料领域，所述复合材料中，所述碳纳米材料为含有空隙和/或中空通道的碳纳米材料；所述碳纳米材料的空隙和/或中空通道中负载有高度分散的过渡金属取代多酸。本发明的复合材料(碳纳米材料限域过渡金属取代多酸的复合材料)在应用于电催化析氢反应时，能有效地降低析氢过电位，减少电能的消耗；且多酸价格便宜，能降低催化反应的成本。

技术领域

本发明涉及复合材料的技术领域，具体涉及一种碳纳米材料限域过渡金属取代多酸的复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

全球气候变暖和化石能源的快速消耗，可持续能源的开发一直是人类关注的焦点。此外，随着环保要求的提高和氢燃料的不断普及，氢气的低成本、清洁、高效生产是研究者们关注的热点。目前，主要的制氢技术是甲烷蒸汽重整和煤气化，仅有少量是通过电解水制得。电解水制氢被认为是最有希望的绿色产氢途径，但目前所用的催化剂析氢过电位较大，导致电能的消耗较多。铂具有较高的电催化活性，常被用作电催化析氢反应中。但铂在地壳中的含量为5×10^-7％，常与其他铂族元素以矿物形式存在，或以游离状态存在，难以分离提取。根据2022年中国矿产资源分布报告铂族金属储量仅87.69万吨，目前全球铂金属增量需求在不断增长，资源竞争激烈。因此，开发廉价、高效、稳定的电催化剂是电解水制氢走向工业化应用的重要保障，也是广大研究者亟待解决的问题。

多金属氧酸盐(简称多酸)，是一类由高氧化态的前过渡金属与氧连接构成的带有负电荷的金属氧化物簇。多酸结构丰富，而且具有独特的氧化还原活性，在医药、催化、材料和能源领域均具有广泛的应用。多酸结构明确，又是单分散的纳米团簇，有利于暴露出更多的催化活性位点。然而，多酸在水溶液中溶解度较大，易流失，从而其活性较差，如：H₄SiW₁₂O₄₀、[H₇P₈W₄₈O₁₈₄]^33-。多酸导电性较弱，应用于电催化反应时，不利于电子的传输。因此，为充分发挥多酸在电催化中的优势，研究者设计不同过渡金属取代的多酸，如[LnSiW₁₁O₃₉]^5-、[PW₁₁CoO₃₉]^5-，然后将其与rGO、CNTs等高导电性材料结合，提高复合材料的导电性，同时有利于多酸暴露更多的活性位点。目前，常用的多酸基复合材料的合成方法是水热和负载。如通过水热合成POM/Ni基复合材料时，温度需达到180℃，时间需8h，该合成过程条件要求严格且能耗较大。将Na₂H₈[MnV₁₃O₃₈](NMV)负载在石墨烯片层上合成NMV/G复合材料，该合成过程繁琐，多酸的负载量难以控制，且结合力较弱，易脱落。

发明内容

发明目的

为解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种碳纳米材料限域过渡金属取代多酸的复合材料的制备方法及其应用。本发明的复合材料(碳纳米材料限域过渡金属取代多酸的复合材料)在应用于电催化析氢反应时，能有效的降低析氢过电位，电能的消耗较少；多酸价格便宜，降低催化反应的成本。此外，多酸易于合成和修饰，将其与碳纳米管结合能够显著增强复合材料的稳定性，从而提高材料的利用效率。

解决方案

为实现本发明目的，第一方面，本发明提供了一种碳纳米材料限域过渡金属取代多酸的复合材料在制备电催化析氢材料中的应用，所述复合材料中，所述碳纳米材料为含有空隙和/或中空通道的碳纳米材料，所述碳纳米材料的空隙和/或中空通道中负载有高度分散的过渡金属取代多酸。