木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料及其制备方法
阅读说明：本技术 木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料及其制备方法 (Wood-based porous activated carbon/Ni0.2Mo0.8N electro-catalytic material and preparation method thereof ) 是由 赵雷 袁雨禾 陈辉 方伟 何漩 杜星 李薇馨 王大珩 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种木头基多孔活化碳/Ni-(0.2)Mo-(0.8)N电催化材料及其制备方法。其技术方案是：将预处理后的木块浸渍于15～30wt％的ZnCl-(2)溶液中,于105～115℃条件下处理45～50小时,再于高纯氩气气氛和800～900℃条件下热处理2～4小时,洗涤,得到木头基多孔活化碳材料；将Na-(2)MoO-(4)·2H-(2)O和NiCl-(2)·6H-(2)O加入到去离子水中,搅拌,搅拌后加入到水热反应釜中,然后加入所述木头基多孔活化碳材料,在150～170℃条件下热处理5～7小时,自然冷却,取出后洗涤和干燥,最后在氨气气氛和550～650℃条件下热处理10～30分钟,制得木头基多孔活化碳/Ni-(0.2)Mo-(0.8)N电催化材料。本发明工艺简单、成本低廉和环境友好,所制制品能在酸性和碱性条件下稳定电解水。(The invention relates to wood-based porous activated carbon/Ni 0.2 Mo 0.8 N electrocatalytic material and a preparation method thereof. The technical scheme is as follows: dipping the pretreated wood block in 15-30 wt% of ZnCl 2 Treating the solution at 105-115 ℃ for 45-50 hours, then treating the solution at 800-900 ℃ for 2-4 hours in a high-purity argon atmosphere, and washing to obtain a wood-based porous activated carbon material; mixing Na 2 MoO 4 ·2H 2 O and NiCl 2 ·6H 2 Adding O into deionized water, stirring, adding into a hydrothermal reaction kettle after stirring, then adding the wood-based porous activated carbon material, and carrying out reaction at the temperature of 150-170 DEG CPerforming heat treatment for 5-7 hours, naturally cooling, taking out, washing and drying, and finally performing heat treatment for 10-30 minutes in an ammonia atmosphere at 550-650 ℃ to obtain the wood-based porous activated carbon/Ni 0.2 Mo 0.8 An N electrocatalytic material. The invention has simple process, low cost and environmental protection, and the prepared product can stably electrolyze water under acidic and alkaline conditions.)
技术领域
本发明属于电催化材料技术领域。具体涉及一种木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料及其制备方法。
背景技术
电解水制备高纯氢被认为是满足日益增长的能源需求的一种有效方法。电解水包含两个半反应：阴极的析氢反应和阳极的析氧反应。因此，研究合成低成本、高性能并且稳定性强的电催化剂对于工业电解水有很大的意义。目前，铂基材料和氧化铱分别在析氢和析氧反应中虽表现出的活性很好，但高昂的成本以及贵金属的稀缺性阻碍了大规模工业应用，故研究和开发低成本、高活性且稳定的非贵金属基电催化剂以应用在实际的工业电解水中成为热点。在众多非贵金属基电解水材料中，过渡金属氮化物、特别是NiMoN类化合物，由于Ni与Mo形成的化合物与活性氢原子结合能适中，利于析氢反应，而氮化物又具有导电性好且耐腐蚀的特性，因而受研究者的广泛关注。
如“一种钒掺杂过渡金属氮化物的制备方法及其应用”(CN110787824A)专利技术，该技术通过水热法在泡沫镍上合成V-NiMoN材料，但泡沫镍在酸性条件下容易溶解，在使用过程中不稳定。
如文献I(Sang H P,Jo T H,Min H L,et al.Highly active and stablenickel-molybdenum nitride(Ni2Mo3N)electrocatalyst for hydrogen evolution[J].Journal of Materials Chemistry A,2021,9:4945-4951.)报道，直接将泡沫镍作为镍源，与钼盐以及尿素混合，在氮气气氛下热处理，虽一步合成Ni2Mo3N电催化材料，但只能在碱性条件下进行电催化析氢反应。
如文献II(Chang B,Yang J,Shao Y L,et al.Bimetallic NiMoN nanowireswith preferential reactive facet:an ultra-efficient bifunctionalelectrocatalyst for overall water splitting[J].ChemSusChem,2018,11(18):3198-3207.)报道，在使用镍盐和钼盐的基础上还使用了DTAB表面活性剂来合成NiMoN材料，合成步骤比较复杂，且不能在酸性条件下稳定电解水。
如文献III(Yin Z X,Sun Y,Zhu C L,et al.Bimetallic Ni-Mo nitridenanotubes as highly active and stable bifunctional electrocatalysts for fullwater splitting[J].Journal of Materials Chemistry A,2017,5:13648-13658.)报道，先将醋酸镍和氧化钼混合超声，再将混合物在空气中进行热处理，接着在氨气条件下进行热处理，该反应步骤不仅较复杂，且只能在碱性条件下稳定电解水。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、成本低廉和环境友好的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料的制备方法；该方法制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料能在酸性和碱性条件下稳定电解水。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案的步骤是：
步骤一、将木材切割成块，用去离子水洗涤2～3次，于55～65℃条件下烘干，即得预处理后的木块；将1质量份预处理后的木块浸渍于3～5质量份的15～30wt％的ZnCl2溶液中，于105～115℃条件下处理45～50小时，即得用氯化锌处理的木块；将所述用氯化锌处理的木块在高纯氩气气氛和800～900℃条件下热处理2～4小时，用去离子水洗涤3～4次，烘干，得到木头基多孔活化碳材料。
步骤二、将1质量份的Na2MoO4·2H2O和1～2质量份的NiCl2·6H2O加入到97～98质量份的去离子水中，搅拌10～20分钟，即得混合液；将所述混合液加入到水热反应釜中，然后加入3～5质量份的所述木头基多孔活化碳材料，在150～170℃条件下热处理5～7小时，自然冷却至室温，取出后用去离子水洗涤2～3次，干燥24～48小时，制得木头基多孔活化碳/NiMoO4材料。
步骤三、将所述木头基多孔活化碳/NiMoO4材料在氨气气氛和550～650℃条件下热处理10～30分钟，制得木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料。
所述木材为杨木、松木、椴木、竹子、沙比利木、枫木木材中的一种。
所述木块的长×宽×高＝(30～40)×(10～20)×(5～10)mm。
所述高纯氩气的纯度为99.999％以上。
所述氨气纯度为99.6％以上。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明先将预处理后的木块浸渍于ZnCl2溶液中，于高纯氩气气氛和800～900℃热处理，得到木头基多孔活化碳材料；然后将Na2MoO4·2H2O、NiCl2·6H2O和去离子水的混合液加入到水热反应釜中，再加入木头基多孔活化碳材料进行水热反应，最后在氨气气氛和550～650℃条件下热处理，得到木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料。本发明无需使用表面活性剂，工艺简单、节省生产成本和环境友好。
2、本发明合成的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料，由于其基底材料为木头基多孔活化碳材料，耐腐蚀性强，不会被酸或碱腐蚀，因此，能在酸性和碱性条件下稳定电解水。
3、本发明的基底材料的原料为储量丰富、成本低廉和环保的木材，所制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料生产成本低。
因此，本发明具有工艺简单、成本低廉和环境友好的特点，所制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料能在酸性和碱性条件下稳定电解水。
附图说明
图1为本发明制备的一种木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料的SEM照片；
图2为图1所示木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料在酸性条件下的电催化析氢LSV曲线图；
图3为图1所示木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料在酸性条件下的电催化析氧LSV曲线图；
图4为图1所示木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料在酸性条件下的全解水稳定性测试图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
一种木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料及其制备方法。所示制备方法的步骤是：
步骤一、将木材切割成块，用去离子水洗涤2～3次，于55～65℃条件下烘干，即得预处理后的木块；将1质量份预处理后的木块浸渍于3～5质量份的15～30wt％的ZnCl2溶液中，于105～115℃条件下处理45～50小时，即得用氯化锌处理的木块；将所述用氯化锌处理的木块在高纯氩气气氛和800～900℃条件下热处理2～4小时，用去离子水洗涤3～4次，烘干，得到木头基多孔活化碳材料。
步骤二、将1质量份的Na2MoO4·2H2O和1～2质量份的NiCl2·6H2O加入到97～98质量份的去离子水中，搅拌10～20分钟，即得混合液；将所述混合液加入到水热反应釜中，然后加入3～5质量份的所述木头基多孔活化碳材料，在150～170℃条件下热处理5～7小时，自然冷却至室温，取出后用去离子水洗涤2～3次，干燥24～48小时，制得木头基多孔活化碳/NiMoO4材料。
步骤三、将所述木头基多孔活化碳/NiMoO4材料在氨气气氛和550～650℃条件下热处理10～30分钟，制得木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料。
所述木材为杨木、松木、椴木、竹子、沙比利木、枫木木材中的一种。
所述木块的长×宽×高＝(30～40)×(10～20)×(5～10)mm。
本具体实施方式中：
所述高纯氩气的纯度为99.999％以上；
所述氨气纯度为99.6％以上。
实施例中不再赘述。
实施例1
一种木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、将木材切割成块，用去离子水洗涤2次，于55℃条件下烘干，即得预处理后的木块；将1质量份预处理后的木块浸渍于5质量份的15wt％的ZnCl2溶液中，于105℃条件下处理45小时，即得用氯化锌处理的木块；将所述用氯化锌处理的木块在高纯氩气气氛和800℃条件下热处理2小时，用去离子水洗3次，烘干，得到木头基多孔活化碳材料。
步骤二、将1质量份的Na2MoO4·2H2O和1质量份的NiCl2·6H2O加入到98质量份的去离子水中，搅拌10分钟，即得混合液；将所述混合液加入到水热反应釜中，然后加入3质量份的所述木头基多孔活化碳材料，在150℃条件下热处理5小时，自然冷却至室温，取出后用去离子水洗涤2次，干燥24小时，制得木头基多孔活化碳/NiMoO4材料。
步骤三、将所述木头基多孔活化碳/NiMoO4材料在氨气气氛和550℃条件下热处理10分钟，制得木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料。
本实施例中：所述木材为椴木；所述木块的长×宽×高＝40×20×10mm。
实施例2
一种木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料及其制备方法。其特征在于所述制备方法的步骤是：
步骤一、将木材切割成块，用去离子水洗涤3次，于60℃条件下烘干，即得预处理后的木块；将1质量份预处理后的木块浸渍于4质量份的20wt％的ZnCl2溶液中，于110℃条件下处理48小时，即得用氯化锌处理的木块；将所述用氯化锌处理的木块在高纯氩气气氛和850℃条件下热处理3小时，用去离子水洗3次，烘干，得到木头基多孔活化碳材料。
步骤二、将1质量份的Na2MoO4·2H2O和1.5质量份的NiCl2·6H2O加入到97.5质量份的去离子水中，搅拌15分钟，即得混合液；将所述混合液加入到水热反应釜中，然后加入4质量份的所述木头基多孔活化碳材料，在160℃条件下热处理6小时，自然冷却至室温，取出后用去离子水洗涤2次，干燥36小时，制得木头基多孔活化碳/NiMoO4材料。
步骤三、将所述木头基多孔活化碳/NiMoO4材料在氨气气氛和600℃条件下热处理20分钟，制得木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料。
本实施例中：所述木材为松木、杨木和沙比利木中的一种；所述木块的长×宽×高＝35×15×8mm。
实施例3
一种木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料及其制备方法。其特征在于所述制备方法的步骤是：
步骤一、将木材切割成块，用去离子水洗涤2次，于65℃条件下烘干，即得预处理后的木块；将1质量份预处理后的木块浸渍于3质量份的30wt％的ZnCl2溶液中，于115℃条件下处理50小时，即得用氯化锌处理的木块；将所述用氯化锌处理的木块在高纯氩气气氛和900℃条件下热处理4小时，用去离子水洗4次，烘干，得到木头基多孔活化碳材料。
步骤二、将1质量份的Na2MoO4·2H2O和2质量份的NiCl2·6H2O加入到97质量份的去离子水中，搅拌20分钟，即得混合液；将所述混合液加入到水热反应釜中，然后加入5质量份的所述木头基多孔活化碳材料，在170℃条件下热处理7小时，自然冷却至室温，取出后用去离子水洗涤3次，干燥48小时，制得木头基多孔活化碳/NiMoO4材料。
步骤三、将所述木头基多孔活化碳/NiMoO4材料在氨气气氛和650℃条件下热处理30分钟，制得木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料。
本实施例中：所述木材为竹子、或为枫木；所述木块的长×宽×高＝30×10×5mm。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下优点：
1、本具体实施方式先将预处理后的木块浸渍于ZnCl2溶液中，于高纯氩气气氛和800～900℃热处理，得到木头基多孔活化碳材料；然后将Na2MoO4·2H2O、NiCl2·6H2O和去离子水的混合液加入到水热反应釜中，再加入木头基多孔活化碳材料进行水热反应，最后在氨气气氛和550～650℃条件下热处理，得到木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料。本具体实施方式无需使用表面活性剂，工艺简单、节省生产成本和环境友好。
2、本具体实施方式制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料如附图所示：图1为实施例1制备的一种木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料的SEM照片；图2为图1所示木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料在酸性条件下的电催化析氢LSV曲线图；图3为图1所示木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料在酸性条件下的电催化析氧LSV曲线图；图4为图1所示木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料在酸性条件下的全解水稳定性测试图。从图1可以看出，所制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料中存在大量的尺寸为5～10μm的一维Ni0.2Mo0.8N微米线生长在木头基多孔活化碳上；从图2可以看出：在电流密度为10mA·cm-2时，所制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料的电催化析氢过电位为23.7mV；从图3可以看出：在电流密度为50mA·cm-2时，所制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料的电催化析氧过电位为455mV；从图4可以看出：在所加电压为1.7V时，所制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料可以在酸性条件下稳定电解水。即由于其基底材料为木头基多孔活化碳材料，耐腐蚀性强，不会被酸或碱腐蚀，因此，能在酸性和碱性条件下稳定电解水。
3、本具体实施方式的基底材料原料为储量丰富、成本低廉和环保的木材，故所制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料生产成本低。
因此，本具体实施方式具有工艺简单、成本低廉和环境友好的特点，所制备的木头基多孔活化碳/Ni0.2Mo0.8N电催化材料能在酸性和碱性条件下稳定电解水。
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