一种多级结构过渡金属氮化物电极材料及其制备方法与流程

本发明涉及多级结构电极材料的制备技术，具体涉及一种多级结构过渡金属氮化物电极材料及其制备方法。

背景技术：

在过去的几十年中，人们在多级结构纳米阵列材料的设计及制备上进行了大量的研究。这种多级结构纳米阵列材料往往由两种或以上不同组分构成，其中每种组分至少在一个维度上是纳米尺度。多级结构纳米阵列材料的性质不仅取决于其组分，还取决于结构、其中组分的晶相和暴露的晶面、不同组分间的界面等。通过巧妙的设计，这种多级结构纳米阵列材料能够克服单一组分的缺点，并整合各个组分的优点，甚至能达到产生新性质和新功能的目的。由于此特点，通过合理的设计以及控制合成，多级结构纳米阵列材料在许多研究领域都有着广泛的应用，如能量转换、能量储存、分析检测等。

近年来，用多级结构纳米阵列材料作为电极材料的报道屡见不鲜，杨等人[chem.commun.,(2018),54,78--81]在泡沫铜基底上构筑了多级结构cucos4纳米阵列并以此作为oer电催化剂，在1mkoh电解液中仅需要295mv的过电位来驱动100ma/cm²的电流密度，其tafel斜率为110mv/dec；李等人[adv.funct.mater.(2018),1705937]以泡沫镍为基底设计出多级结构nico2s4@nico2s4纳米阵列，并以此作为碱性电池的电极，在240ma/cm²的高电流密度下也能取得4.43mah/cm²的高放电比容量，并且具有良好的循环稳定性。

事实上，尽管以核-壳结构为基础的多级结构纳米阵列可以改善电极材料的机械稳定性和电化学稳定性，但一般情况下，其结构中的一维纳米线(核)主要起到电子传输的作用，其电化学活性往往偏低。换句话说，虽然核壳纳米结构有利于离子和电子在电解质和电极间的传递，但是这远远不够，我们还必须进一步提高它们之间的传递效率，来进一步提升活性组分的使用效率。因此，合理的设计一种具有中空管状核壳纳米结构作为电极有望提升电极材料在各种电化学方面上的性能。一方面，多级的壳可以增加电极材料的比表面积，提升活性组分的负载量，另一方面，中空管状结构可以让电解质扩散进纳米管中，缩短电子扩散路径，加速电荷的有效转移。

过渡金属氮化物被认为是一种填隙式合金，具有良好的抗腐蚀性、高导电率、化学稳定性等优点，近年来，许多文章报道了过渡金属氮化物在诸如超级电容器、电催化、电化学检测等多种电化学方面的应用。例如郑等人[adv.funct.mater.(2017),1704169]制备出具有由整齐排布的多孔cuconx纳米片组成的纳米阵列，并证明其在电催化her、oer以及选择性苯甲醇氧化上均有良好的性能。

因此，采用过渡金属基氮化物作为多级结构的壳，并以cu基氮化物空心管作为多级结构的核，相比于过渡金属氧化物以及氢氧化物来说，金属氮化物具有更好的导电性；通过合理的设计，在提供一个良好的导电一维结构的同时兼顾了提高电解质与电子传输的优点，同时由于两种金属氮化物之间存在的协同效应，能够进一步提升其电化学性能。所以通过这种方法有望设计出一种具有良好电化学性能的电极材料。此外，通过控制多级结构的壳层材料种类，可以制备出可应用于不同电催化类型的电极材料。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多级结构过渡金属氮化物材料及其制备方法，该材料可用作不同电催化类型的电极材料。

本发明所述的多级结构过渡金属氮化物材料，表示为mnx/cu3n/cf，其中mnx代表金属氮化物，m为fe、co、ni中的一种，x等于1、1或4，cf代表泡沫铜基底。该材料具有独特的微观结构，其中cu3n纳米中空管生长在泡沫铜金属基底上，mnx生长在cu3n纳米中空管外壁形成一种三维多级中空管状结构。

本发明采用化学氧化法先在泡沫铜基底上原位生长氢氧化铜纳米线阵列，将其置于含金属盐以及尿素的溶液中，用水热的方法，在氢氧化铜纳米线上生长金属氢氧化物(或金属碱式碳酸化物)前驱体，同时由于尿素水热分解在溶液局部产生nh4⁺和co2，形成局部酸性而造成部分腐蚀作用[nanoenergy(2015)12,437--446]，使得氢氧化铜纳米线出现溶解现象，从而获得三维多级金属氢氧化物(或金属碱式碳酸化物)前驱体/氢氧化铜纳米管纳米阵列/泡沫铜复合结构，于管式炉中，在氨气的氛围下采用程序升温煅烧的方法，得到mnx/cu3n/cf。

本发明所述的多级结构过渡金属氮化物电极材料的制备方法，具体步骤如下：

a.在预处理过的泡沫铜基底上，采用专利cn105513831a介绍的溶液浸渍法制备氢氧化铜纳米线阵列/泡沫铜。

b.将步骤a中得到的氢氧化铜纳米线阵列/泡沫铜基底置于金属盐与尿素的水热溶液中，于密封聚四氟乙烯反应釜中，80-100℃温度下水热反应4-8h，取出基底，用去离子水洗净并置于60℃烘箱中干燥，得到前驱体/氢氧化铜/泡沫铜；该材料具有三维多级结构，且由于水热过程的局部溶解作用，氢氧化铜纳米线变成了具有空心结构的纳米管。

所述的水热溶液中，金属盐与尿素的摩尔比为0.15～1.0，总金属离子浓度为0.015-0.20mol/l。

所述的金属盐溶液为fe、co、ni的硝酸盐或硫酸盐溶液；当金属盐为fe的硫酸盐或硝酸盐时，需要额外加入nh4f与fe³⁺进行络合从而降低溶液的酸性，其中fe³⁺与nh4f的摩尔比为0.1～0.6。

c.将步骤b中得到的前驱体/氢氧化铜/泡沫铜置于管式炉中，在流量为30～50sccm的氨气下以2℃/min的升温速率升温至350～450℃，并保温1-3h，在氨气氛围下自然降温，取出，用去离子水洗净并置于60℃烘箱中干燥，得到mnx/cu3n/cf。

本发明的特点是：在具有较大比表面积的泡沫铜基底上构建复合多级纳米阵列，能够增加活性组分氮化物的负载量，从而获得一个较为理想的电化学性能。由于水热反应中的局部腐蚀作用以及氢氧化铜纳米棒的不稳定性等因素，在水热法制备前驱体的过程中，造成了氢氧化铜纳米棒的溶解，从而获得中空管状的结构，这种中空管状结构有利于电解质与电化学活性组分的充分接触，缩短了电荷扩散的途径，加速了电子的有效转移，使电极材料有望在电催化性能上获得提高。

表征及应用实验

图1是实施例1步骤d得到的fen/cu3n/cf的x射线衍射(xrd)表征，由图可见，除了出现泡沫铜基底特征衍射峰(用表示)外，还出现了cu3n的(100)、(110)、(111)、(200)、(210)、(211)、(220)特征衍射峰(用“△”表示)以及fen的(111)、(200)特征衍射峰(用表示)，说明该材料为复合fen/cu3n/cf结构。

图2是实施例2步骤d得到的con/cu3n/cf的x射线衍射(xrd)表征，由图可见，除了出现泡沫铜基底特征衍射峰(用表示)外，还出现了cu3n的(100)、(110)、(111)、(200)、(210)、(211)、(220)特征衍射峰(用“△”表示)以及con的(111)、(200)、(220)特征衍射峰(用表示)，说明该材料为复合con/cu3n/cf结构。

图3是实施例2步骤d得到的con/cu3n/cf的扫描电子显微镜(sem)表征，由图可见，con纳米棒紧密包裹在cu3n纳米管外壁，形成管状多级纳米阵列结构。

图4是实施例2步骤d得到的con/cu3n/cf的透射电子显微镜(tem)表征，由图可见，con纳米棒长度约为200纳米，直径约为25纳米，均匀且紧密地生长在具有空心结构的cu3n纳米管表面，整体结构的直径约为600纳米。

图5是实施例2步骤d得到的con/cu3n/cf电极在1mol/l的koh电解液中进行电催化her的线性伏安曲线，由图可见，当电流密度为10ma/cm²时，其电势仅为0.13v(相对于可逆氢电极)，该数值优于大部分钴基材料，说明其独特的多级中空纳米阵列结构进一步提升了con和cu3n的电催化活性，使该电极材料具有良好的电催化her效果，有望在电催化水分解制氢中得到有效应用。

图6是实施例3步骤d得到的ni4n/cu3n/cf的x射线衍射(xrd)表征，由图可见，除了出现泡沫铜基底特征衍射峰(用表示)外，还出现了cu3n的(100)、(210)特征衍射峰(用“△”表示)以及ni4n的(100)、(111)、(200)、(220)特征衍射峰(用表示)，说明该材料为复合ni4n/cu3n/cf结构。

本发明的有益效果：采用溶液浸渍、水热和程序升温氮化的方法，在泡沫铜基底上原位生长氢氧化铜纳米线阵列，并在氢氧化铜纳米线上水热生长fe,co,ni基前驱体。由于尿素分解形成的局部酸性造成腐蚀作用，使得氢氧化铜发生溶解，从而得到中空管状的多级结构。再通过程序升温的方法将其氮化，在不破坏其结构的前提下成功制备出具有中空管状结构的复合氮化物多级纳米阵列。该方法的制备简单且获得的产品结构性好，不需要添加黏合剂，可直接作为电极材料；此外，通过改变水热生长金属前驱体的种类，可以达到改变电极材料的应用方向的目的。因此，这种方法有望制备出可应用于不同电催化类型的电极材料，具有广泛的应用价值。

附图说明

图1是实施例1中的fen/cu3n/cf的x射线衍射(xrd)表征图。

图2是实施例2中的con/cu3n/cf的x射线衍射(xrd)表征图。

图3是实施例2中的con/cu3n/cf的扫描电子显微镜(sem)表征。

图4是实施例2中的con/cu3n/cf的透射电子显微镜(tem)表征。

图5是实施例2中的con/cu3n/cf的电催化的her线性伏安曲线。

图6是实施例3中的ni4n/cu3n/cf的x射线衍射(xrd)表征图。

具体实施方式

实施例1

a.泡沫铜的预处理。

以纯度大于90％的泡沫铜为原料，剪成尺寸为4.0*3.0cm²的片，分别用丙酮、乙醇、20％的盐酸以及去离子水超声清洗5min后，放入60℃烘箱中干燥备用。

b.氢氧化铜纳米线阵列/泡沫铜的制备。

称取2.28g的过硫酸铵和10.0g的氢氧化钠溶解于100ml的去离子水中，配成混合溶液，将预处理完的泡沫铜基底浸渍混合溶液中20min后取出，用去离子水冲洗，置于60℃烘箱中干燥，得到氢氧化铜纳米线阵列/泡沫铜。

c.氢氧化铁前驱体/氢氧化铜纳米管阵列/泡沫铜的制备。

称取1.52g的九水合硝酸铁、0.90g尿素以及0.3g氟化铵，溶解于100ml的去离子水中。将步骤b得到的氢氧化铜/泡沫铜以及所配溶液加入至100ml聚四氟乙烯反应釜中，在100℃下水热反应8h。反应结束后取出基底并用去离子水彻底清洗干净，置于60℃烘箱中干燥，得到氢氧化铁前驱体/氢氧化铜纳米管阵列/泡沫铜。

d.fen/cu3n/cf的制备。

将步骤c得到的氢氧化铁前驱体/氢氧化铜纳米管阵列/泡沫铜置于管式炉中，以50sccm的流速持续通入高纯氨气，以2℃/min的升温速率升温至420℃，并保温2h。反应结束后，于氨气流下自然降温，取出基底并用去离子水彻底洗净，烘干，得到fen/cu3n/cf。

实施例2

a.同实施例1。

b.氢氧化铜纳米线阵列/泡沫铜的制备。

称取1.71g的过硫酸铵和7.5g的氢氧化钠，溶解于100ml的去离子水中，配成混合溶液，将预处理完的泡沫铜基底浸渍于混合溶液中20min后取出，用去离子水冲洗，置于60℃烘箱中干燥备用，得到氢氧化铜纳米线阵列/泡沫铜。

c.碱式碳酸钴前驱体/氢氧化铜纳米管阵列/泡沫铜的制备。

称取1.59g的七水合硫酸钴和0.68g尿素，溶解于50ml的去离子水中。将步骤b得到的氢氧化铜/泡沫铜以及所配溶液加入至50ml聚四氟乙烯反应釜中，在85℃下水热反应4h。反应结束后取出基底并用去离子水彻底清洗干净，置于60℃烘箱中干燥，得到碱式碳酸钴前驱体/氢氧化铜纳米管阵列/泡沫铜。

d.con/cu3n/cf的制备。

将步骤c得到的碱式碳酸钴前驱体/氢氧化铜纳米管阵列/泡沫铜置于管式炉中，以40sccm的流速持续通入高纯氨气，以2℃/min的升温速率升温至400℃，并保温2h。反应结束后，于氨气流下自然降温，取出基底并用去离子水彻底洗净，烘干，得到con/cu3n/cf。

实施例3

a.同实施例1。

b.氢氧化铜纳米线阵列/泡沫铜的制备。

称取2.85g的过硫酸铵和12.0g的氢氧化钠，溶解于100ml的去离子水中，配成混合溶液，将预处理完的泡沫铜基底浸渍于混合溶液中20min后取出，用去离子水冲洗，置于60℃烘箱中干燥备用。

c.碱式碳酸镍前驱体/氢氧化铜纳米管阵列/泡沫铜的制备。

称取0.91g的六水合硝酸镍和0.45g的尿素，溶解于50ml的去离子水中，将步骤b得到的氢氧化铜/泡沫铜以及所配溶液加入至50ml聚四氟乙烯反应釜中，在100℃下水热反应5h。反应结束后取出基底并用去离子水彻底清洗干净，置于60℃烘箱中干燥，得到碱式碳酸镍前驱体/氢氧化铜纳米管阵列/泡沫铜。

d.ni4n/cu3n/cf的制备。

将步骤c得到的碱式碳酸镍前驱体/氢氧化铜纳米管阵列/泡沫铜置于管式炉中，以50sccm的流速持续通入高纯氨气，以2℃/min的升温速率升温至380℃，并保温2h。反应结束后，于氨气流下自然降温，取出基底并用去离子水彻底洗净，烘干，得到ni4n/cu3n/cf。