一种多孔碳负载金属复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种多孔碳负载金属复合材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]随着化石能源的快速枯竭，开发新能源成为一个令人关注的课题，其中水分解产氢被认为是一种有效的方法。水分解包括阴极产氢反应和阳极产氧反应，科学家们希望研发出廉价高效的催化剂来分别降低阴极和阳极反应的过电势，从而通过降低施加的电压来减低经济成本。
[0003]在用于水分解产氢的催化剂中，铂基催化剂有着良好的产氢催化活性，钌基催化剂有着良好的产氧催化活性。然而，这些贵金属较低的资源储量和昂贵的成本限制了其在实际商业生产中的应用。因此，探索高效、性能稳定和低成本的非贵金属或者无金属的催化剂用来代替贵金属催化剂材料，这具有重要的商业价值和意义，相关研究亦得到了广泛的关注。
[0004]强酸和强碱性电解液可以满足水分解所需的快速离子传输的要求，相对于酸性电解液，碱性电解液产氢，由于其具有更低的蒸汽压而能得到更高纯度的氢气，已经广泛被工业界所接受。并且，大多数用于产氧的催化剂例如金属氧化物，在碱性电解液中有着更高的活性，而在酸性电解液中活性和稳定性相对较差。因此，碱性条件催化剂的研究受到更为广泛的关注。其中，金属镍(Ni)是地球最为丰富的元素之一，并且被一直用作碱性条件下的产氢反应的催化剂。但是，制备一种对产氢和产氧反应都有较高活性的催化剂，是目前水分解反应研究的难点和重点。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本申请提供一种多孔碳负载金属复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的复合材料具有电化学全水解催化活性高的优点，并且成本较低。
[0006]本发明提供一种多孔碳负载金属复合材料，包括:
[0007]多孔碳载体；
[0008]和负载在多孔碳载体上的镍和碳化钼。
[0009]优选地，所述复合材料中，镍的质量分数为10%?30%，碳化钼的质量分数为25%?45%，碳的质量分数为25%?65 %。
[0010]优选地，所述复合材料为一维纳米棒状。
[0011]优选地，所述复合材料的直径为50nm?2 1nm，所述复合材料的长径比为10?80:1o
[0012]本发明提供一种多孔碳负载金属复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0013]将NiMoO4纳米棒和碳源单体在Tris试剂溶液中进行反应，得到NiMoO4/碳源前体；
[0014]将所述NiMoO4/碳源前体进行煅烧，得到多孔碳负载金属复合材料；
[0015]所述复合材料包括:多孔碳载体;和负载在多孔碳载体上的镍和碳化钼。
[00? 6] 优选地，所述NiMo04纳米棒按照以下步骤制得:
[0017]将Ni(NO3)2.6H20和Na2MoO4.2H20及水混合，得到混合溶液；
[0018]将所述混合溶液在120°C?180 0C的条件下进行反应，依次经分离、洗涤和干燥，得到NiMoCU纳米棒。
[0019]优选地，所述碳源单体选自多巴胺、葡萄糖、吡咯和苯胺中的一种或多种。
[0020]优选地，所述碳源单体在Tris试剂溶液中的浓度为0.2?0.8g/L。
[0021 ] 优选地，所述煅烧的温度为700 °C?900 °C。
[0022]本发明还提供上文所述的多孔碳负载金属复合材料或上文所述的制备方法制得的复合材料作为催化剂在电化学产氢和/或产氧中的应用。
[0023]与现有技术相比，本发明提供的复合材料以多孔碳为载体，并且多孔碳载体上负载有镍和碳化钼。在本发明中，多孔碳负载镍和碳化钼的复合材料具有优异的催化电化学产氢产氧及全水分解性能。实验结果表明，本发明提供的复合材料作为催化剂在产氢反应中，过电位为0.25V时，其电流密度能够达到52mA/cm2 ；在产氧反应中，过电位为0.40V时，其电流密度能够达到23mA/cm2;在全水解反应中，电位为1.68V时，其电流密度能够lOmA/cm2。所述复合材料性能非常优异，在电催化产氢产氧及全水分解领域具有良好的应用前景。
[0024]此外，本发明提供的复合材料的制备方法工艺简单，成本较低，易于规模化生产。
【附图说明】
[0025]图1为实施例1所得多孔碳负载镍和碳化钼复合材料的扫描电镜照片；
[0026]图2为实施例1所得多孔碳负载镍和碳化钼复合材料的透射电镜照片；
[0027]图3为实施例1制得的多孔碳负载镍和碳化钼复合材料的XRD曲线；
[0028]图4为实施例2所得多孔碳负载镍和碳化钼复合材料的透射电镜照片；
[0029]图5为实施例3所得多孔碳负载镍和碳化钼复合材料的透射电镜照片；
[0030]图6为实施例4所得多孔碳负载镍和碳化钼复合材料的透射电镜照片；
[0031]图7为实施例1和比较例I?3所得材料在产氢反应中的线性扫描伏安法测量曲线；
[0032]图8为实施例1和比较例I?3所得材料在产氧反应中的线性扫描伏安法测量曲线；
[0033]图9为实施例1所得复合材料在全水分解中的线性扫描伏安法测量曲线。
【具体实施方式】
[0034]下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]本发明提供了一种多孔碳负载金属复合材料，包括:
[0036]多孔碳载体；
[0037]和负载在多孔碳载体上的镍和碳化钼。
[0038]本发明提供的多孔碳负载金属复合材料是多孔碳负载镍和碳化钼的复合材料，其具有优异的催化活性，在电催化产氢产氧及全水分解领域具有良好的应用前景。
[0039]本发明提供的复合材料包括多孔碳载体，可由碳源高温煅烧形成。所述碳源包括但不限于聚多巴胺、葡聚糖、聚吡咯或聚苯胺，优选为聚多巴胺。所述煅烧优选在保护性气体存在的条件下进行，保护性气体如氮气或氩气;煅烧温度可为700°C?900°C。
[0040]在多孔碳载体上，本发明提供的复合材料包括负载的镍(Ni)和碳化钼(Mo2C)。其中，金属镍(Ni)在碱性条件下产氢反应中的催化活性良好;Mo2C具有良好的稳定性、高电导率和与铂基金属类似的电子结构。本发明将金属Ni和Mo2C复合负载在多孔碳上，可形成高效的产氢催化材料。这种双功能催化材料对产氢和产氧反应都有较高活性，利于应用。
[0041]在本发明的一些实施例中，所述复合材料中，镍的质量分数为10%?30%，碳化钼的质量分数为25%?45%，碳的质量分数为25%?65%。在本发明的一些实施例中，所述复合材料中，镍的质量分数为15%?25%。在本发明的另一些实施例中，所述复合材料中，碳化钼的质量分数为30%?40%。在本发明的另一些实施例中，所述复合材料中，碳的质量分数为30%?60 %。
[0042]在本发明的实施例中，所述复合材料为一维纳米棒状，尺寸均一;镍和碳化钼分散性良好，所有的颗粒镶嵌在多孔碳的骨架里面。在本发明的一些实施例中，所述复合材料的直径为50nm?2 1nm，所述复合材料的长径比为1?80:1。在本发明的一些实施例中，所述复合材料的直径为50nm?75nm。在本发明的一些实施例中，所述复合材料的直径为I 1nm?140nm。在本发明的另一些实施例中，所述复合材料的直径为190nm?210nm。在本发明的另一些实施例中，所述复合材料的直径为150nm?180nm。在本发明的另一些实施例中，所述复合材料的长径比为1?20:1。在本发明的优选实施例中，所述复合材料的直径为150nm?180nm，所述复合材料的长径比为10?20:1，长度为2μηι?4μηι。
[0043]相应地，本发明实施例提供了一种多孔碳负载金属复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0044]将NiMoO4纳米棒和碳源单体在Tris试剂溶液中进行反应，得到NiMoO4/碳源前体；
[0045]将所述NiMoO4/碳源前体进行煅烧，得到多孔碳负载金属复合材料；
[0046]所述复合材料包括:多孔碳载体;和负载在多孔碳载体上的镍和碳化钼。
[0047]本发明提供的制备方法能制备得到多孔碳负载镍和碳化钼的