CN109759103A - 一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤，S1、首先，称取适量的钼酸铵和硝酸镍，将其分别溶解在去离子水中，分别标记为溶液A和B；再在搅拌的情况下，将溶液B缓慢加入到溶液A中；S2、向步骤S1中的混合溶液中缓慢滴加氢氧化钠溶液，进行pH调节，待pH调整为9‑10之间，之后将该混合溶液转移到水热反应釜中，进行水热处理；S3、水热反应结束后，对产物进行离心洗涤和干燥，得到浅黄色的粉末状产物；再将该粉末状产物使用研钵研磨后，均匀铺散在刚玉舟中，放入管式炉进行碳化烧结；S4、将步骤S3中碳化烧结后的产物自然冷却至室温，再次离心洗涤和干燥，就可以得到镍掺杂的碳化钼纳米片。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制备氢气领域，尤其是电解水析氢反应，具体的是用于电解水析氢反应中的电催化剂的制备。
背景技术
随着环境、能源问题的日益严重，对于清洁能源的需求也越来越迫切。在众多的清洁能源中，氢气由于具有很高的能量密度和最广泛的分布，成为一种非常热门的研究对象。不幸的是，氢在自然界中并不是以分子状态存在，这就意味着需要人们对其进行转换后才能使用。
目前，较为高效的制备氢气的方法是电解水产氢，通过该方法可以同时制备出氢气和氧气，即电解槽中会发生HER反应。对于HER反应而言，由于具有远高于理论过电位的实际过电位，为此，使用高效的电催化剂在HER反应中不可或缺。常见的高效催化剂是贵金属基催化剂，如Pt、Rh和Pd等，它们具有较低的过电位和低Tafel斜率，但这些贵金属催化剂，受限于其在地壳中含量和成本等因素，难以在实际应用中广泛推广。为了解决这一问题，科研人员参考了其他体系的催化剂发展，又开发了其他基质的电催化材料，如过渡金属磷化物（MoP、CoNiP等）、过渡金属硫化物（MoS2、Ni3S2等）、过渡金属氢氧化物（LDHs）等等。除了开发出不同体系的催化剂材料，为了进一步提高电催化剂材料的综合性能，研究人员还在电催化剂制备过程中引入其他杂原子，以实现对母体元素的部分取代或晶格掺杂，通过这种方法制备出的电催化剂材料，表现出了更优的电催化性能。为此，在现有的多种掺杂源中，选择合适的掺杂源及基体材料，通过合理的方法从而得到高效的电催化剂仍然是一个非常重要的研究课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，本发明首次在碳化钼纳米片中引入了杂原子镍，镍原子结合碳化钼纳米片显示出了高效的电催化性能。
具体来说，本发明是通过如下的技术方案来实现本发明的目的。
一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、首先，称取适量的钼酸铵和硝酸镍，将其分别溶解在去离子水中，分别标记为溶液A和B；再在搅拌的情况下，将溶液B缓慢加入到溶液A中；
S2、向步骤S1中的混合溶液中缓慢滴加氢氧化钠溶液，进行pH调节，待pH调整为9-10之间，之后将该混合溶液转移到水热反应釜中，进行水热处理；
S3、水热反应结束后，对产物进行离心洗涤和干燥，得到浅黄色的粉末状产物；再将该粉末状产物使用研钵研磨后，均匀铺散在刚玉舟中，放入管式炉进行碳化烧结；
S4、将步骤S3中碳化烧结后的产物自然冷却至室温，再次离心洗涤和干燥，就可以得到镍掺杂的碳化钼纳米片。
优选的，步骤S1中，钼酸铵和硝酸镍的质量比为1:1-2。
优选的，步骤S1中，钼酸铵和硝酸镍所用溶剂的体积比为1-5:1。
优选的，步骤S2中，氢氧化钠的浓度为0.1-0.5M。
优选的，步骤S2中，水热反应条件为，反应温度为160-180℃，反应时间为5-10h。
优选的，步骤S3中，浅黄色产物在刚玉舟的铺散的越薄，碳化效果越好，厚度优选0.05-1mm，可以使用刮刀或喷枪进行粉末分散。
优选的，步骤S3中，管式炉中的升温程序为：先使用氢氩混合气，以2℃/min的升温速率升温至500℃进行还原反应2-4h，之后，再关闭氢氩混合气入口，后以5℃/min的升温速率将管式炉升温至800℃，然后打开甲烷和氢气入口，进行碳化反应，反应时间为1-3h。
本发明的原理在于首先在水热条件下制备出纳米片状的掺镍的氧化钼，然后再在高温下，先将氧化钼进行还原，之后以甲烷为碳源，对还原后的纳米片进行碳化，通过这样连续的两步，可以得到性能均一、高效HER电催化剂材料。
本发明取得了如下有益的技术效果：
首先，通过两步法制备出了镍掺杂的碳化钼纳米片；其次，引入制备石墨烯的碳源甲烷混合气体，作为碳源对产物进行碳化处理；最后，得到的镍掺杂碳化钼纳米片表现出了较高的电催化活性，其电流密度在10mA/cm2的情况下，过电位为110mV，Tafel斜率也低至50.1mV/dec以及表现出了优异的循环稳定性。
附图说明
图1 本发明实施例1制备的产物的透射电子照片；
图2 本发明实施例2制备的产物的透射电子照片。
具体实施方式
实施例1
先称取2.1g钼酸铵，将其溶解在30mL的去离子水中，记为溶液A；然后再称取3.3g的硝酸镍，将其溶解在10ml的去离子水中，记为溶液B；再在搅拌的情况下，将溶液B以缓慢的滴加速度加入到溶液Ａ中；滴加完毕搅拌均匀后，再使用0.3M的氢氧化钠溶液对上述混合溶液的pH值进行调整，调整至pH=8.5左右，然后将该混合溶液转移到60mL的水热反应釜中，在180℃下反应5h。反应结束后，将水热反应釜取出，并使用自来水进行快速冷却。之后对产物进行常规的离心洗涤和干燥，得到淡黄色粉末。经过手工研磨后，将该粉末使用刮刀均匀平铺在刚玉舟中，然后放入管式炉中，进行升温处理，升温的程式为先使用氢氩混合气，以2℃/min的升温速率升温至500℃进行还原反应2h，之后，再关闭氢氩混合气入口，后以5℃/min的升温速率将管式炉升温至800℃，然后打开甲烷和氢气入口，进行碳化反应，反应时间为3h。反应结束后，待自然冷却至室温，再次离心洗涤和干燥，就可以得到镍掺杂的碳化钼纳米片。
实施例2
先称取2.1g钼酸铵，将其溶解在30mL的去离子水中，记为溶液A；然后再称取3.3g的硝酸镍，将其溶解在10ml的去离子水中，记为溶液B；再在搅拌的情况下，将溶液B以缓慢的滴加速度加入到溶液Ａ中；滴加完毕搅拌均匀后，再使用0.3M的氢氧化钠溶液对上述混合溶液的pH值进行调整，调整至pH=10.0左右，然后将该混合溶液转移到60mL的水热反应釜中，在170℃下反应5h。反应结束后，将水热反应釜取出，并使用自来水进行快速冷却。之后对产物进行常规的离心洗涤和干燥，得到淡黄色粉末。经过手工研磨后，将该粉末使用刮刀均匀平铺在刚玉舟中，然后放入管式炉中，进行升温处理，升温的程式为先使用氢氩混合气，以2℃/min的升温速率升温至500℃进行还原反应2h，之后，再关闭氢氩混合气入口，后以5℃/min的升温速率将管式炉升温至800℃，然后打开甲烷和氢气入口，进行碳化反应，反应时间为3h。反应结束后，待自然冷却至室温，再次离心洗涤和干燥，就可以得到镍掺杂的碳化钼纳米片。
实施例3
先称取2.1g钼酸铵，将其溶解在30mL的去离子水中，记为溶液A；然后再称取4.0g的硝酸镍，将其溶解在10ml的去离子水中，记为溶液B；再在搅拌的情况下，将溶液B以缓慢的滴加速度加入到溶液Ａ中；滴加完毕搅拌均匀后，再使用0.3M的氢氧化钠溶液对上述混合溶液的pH值进行调整，调整至pH=8.5左右，然后将该混合溶液转移到60mL的水热反应釜中，在180℃下反应5h。反应结束后，将水热反应釜取出，并使用自来水进行快速冷却。之后对产物进行常规的离心洗涤和干燥，得到淡黄色粉末。经过手工研磨后，将该粉末使用刮刀均匀平铺在刚玉舟中，然后放入管式炉中，进行升温处理，升温的程式为先使用氢氩混合气，以2℃/min的升温速率升温至500℃进行还原反应2h，之后，再关闭氢氩混合气入口，后以5℃/min的升温速率将管式炉升温至800℃，然后打开甲烷和氢气入口，进行碳化反应，反应时间为3h。反应结束后，待自然冷却至室温，再次离心洗涤和干燥，就可以得到镍掺杂的碳化钼纳米片。
实施例4
先称取2.1g钼酸铵，将其溶解在30mL的去离子水中，记为溶液A；然后再称取2.1g的硝酸镍，将其溶解在10ml的去离子水中，记为溶液B；再在搅拌的情况下，将溶液B以缓慢的滴加速度加入到溶液Ａ中；滴加完毕搅拌均匀后，再使用0.3M的氢氧化钠溶液对上述混合溶液的pH值进行调整，调整至pH=9.0左右，然后将该混合溶液转移到60mL的水热反应釜中，在160℃下反应8h。反应结束后，将水热反应釜取出，并使用自来水进行快速冷却。之后对产物进行常规的离心洗涤和干燥，得到淡黄色粉末。经过手工研磨后，将该粉末使用刮刀均匀平铺在刚玉舟中，然后放入管式炉中，进行升温处理，升温的程式为先使用氢氩混合气，以2℃/min的升温速率升温至500℃进行还原反应2h，之后，再关闭氢氩混合气入口，后以5℃/min的升温速率将管式炉升温至800℃，然后打开甲烷和氢气入口，进行碳化反应，反应时间为3h。反应结束后，待自然冷却至室温，再次离心洗涤和干燥，就可以得到镍掺杂的碳化钼纳米片。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤，
S1、首先，称取适量的钼酸铵和硝酸镍，将其分别溶解在去离子水中，分别标记为溶液A和B；再在搅拌的情况下，将溶液B缓慢加入到溶液A中；
S2、向步骤S1中的混合溶液中缓慢滴加氢氧化钠溶液，进行pH调节，待pH调整为9-10之间，之后将该混合溶液转移到水热反应釜中，进行水热处理；
S3、水热反应结束后，对产物进行离心洗涤和干燥，得到浅黄色的粉末状产物；再将该粉末状产物使用研钵研磨后，均匀铺散在刚玉舟中，放入管式炉进行碳化烧结；
S4、将步骤S3中碳化烧结后的产物自然冷却至室温，再次离心洗涤和干燥，就可以得到镍掺杂的碳化钼纳米片。
2.根据权利要求1所述的一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，钼酸铵和硝酸镍的质量比为1:1-2。
3.根据权利要求1所述的一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，钼酸铵和硝酸镍所用溶剂的体积比为1-5:1。
4.根据权利要求1所述的一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，氢氧化钠的浓度为0.1-0.5M。
5.根据权利要求1所述的一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，水热反应条件为，反应温度为160-180℃，反应时间为5-10h。
6.根据权利要求1所述的一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，浅黄色产物在刚玉舟的铺散的厚度为0.05-1mm，可以使用刮刀或喷枪进行粉末分散。
7.根据权利要求1所述的一种镍掺杂的碳化钼纳米片的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，管式炉中的升温程序为：先使用氢氩混合气，以2℃/min的升温速率升温至500℃进行还原反应2-4h，之后，再关闭氢氩混合气入口；后以5℃/min的升温速率将管式炉升温至800℃，然后打开甲烷和氢气入口，进行碳化反应，反应时间为1-3h。
8.根据权利要求1-7中任一项所述方法制备的镍掺杂的碳化钼纳米片用于HER反应。
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