一种高效宽pH自支撑Cu3P/VN-C/C电催化材料及其制备方法和应用

本发明属于功能材料，涉及电催化材料，具体涉及一种高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、日益增长的能源需求、有限的化石燃料和不断增长的全球人口导致了世界范围内的能源危机和严重的环境污染。因此，不断增长的能源需求和环境可持续性之间的平衡迫切需要可再生能源。氢能作为具有高质量能量密度且环保的二次能源，展现出了能够替代传统化石能源的巨大潜力。但地球上没有天然储备的氢能源，需要通过制氢手段获取后才能对其进行利用。利用风能或太阳能等可再生能源提供电能来电解水制氢已经成为最有前景的绿氢制取途径。在电解水制氢过程中，电极表面的催化剂材料是影响电化学析氢的重要因素，开发廉价、高效、稳定的电解水催化剂能够降低反应的过电位，有效提高析氢效率。目前贵金属pt是性能最佳的her催化剂，但其储量稀缺、价格高昂，无法实现大规模的制氢应用，因此需要研究来源丰富、低廉高效的非贵金属催化剂来代替pt族催化剂。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有良好稳定性的高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料及其制备方法和应用，该材料在酸性、碱性电解液中均表现出较好的电催化产氢性能。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤一、对碳/碳基体进行超声清洗、干燥，然后进行预氧化；

5、步骤二、称取0.05～5mol分析纯的二氯化铜和0.01～1mol三氯化钒，称量32mg聚乙烯吡咯烷酮，将以上物质加入到装有150ml超纯水的270ml容积的聚四氟乙烯内衬高压反应釜中，保持体积填充比控制在55.6％，放在磁力搅拌器上搅拌5h形成均匀混合的溶液，；

6、步骤三、将步骤一中处理好的基体置于阴极，以高纯石墨为阳极，以步骤二配置好的溶液为电解液进行沉积反应，待冷却后取出样品，干燥；

7、步骤四、将经步骤三处理得到的碳/碳基体置于小瓷舟中，将500mg次磷酸钠放在大瓷舟的一端，将小瓷舟放在另一端，采用管式炉在氩气气氛下煅烧，次磷酸钠放在进气端，煅烧温度为300～800℃，升温速率为10℃/min，保温2h后自然冷却至室温，得到自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料。

8、本发明还具有以下技术特征：

9、优选的，步骤一中所述的超声清洗为按照超纯水、乙醇的顺序交替进行超声清洗，每次10min，分别清洗3次。

10、优选的，步骤一中所述的预氧化处理方法包括将干燥好的碳/碳基体浸泡在含有50ml浓硝酸与丙酮的混合溶液的烧杯中，其中浓硝酸与丙酮的体积比为3：2，采用锡箔纸与保鲜膜密封好烧杯，并放置在磁力加热搅拌器上于60℃，搅拌6h，结束后采用超纯水冲洗直至基体表面的ph为7，并干燥。

11、优选的，所述的干燥条件为在电鼓风干燥箱中50℃干燥6h。

12、优选的，步骤三中所述的沉积反应的沉积电压为3～40v、水热温度为90～170℃，沉积时间为10min～3h。

13、优选的，步骤三中所述的干燥条件为于电鼓风干燥箱中40℃干燥3h。

14、本发明还保护一种采用如上所述的方法制备的高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料及其在电解水析氢中的应用。

15、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

16、本发明采用水热电沉积法-固相烧结法两步合成高效双功能电催化材料，复合材料直接生长在碳/碳复合材料基体上，电催化活性成分与基底的结合性强，不易脱落，可以达到较长时间的稳定性，不仅可以改善催化成分的分散性，还可以避免粉末电催化剂使用粘结剂带来的成本增高、易脱落等问题；

17、本发明制备的的cu3p/vn-c/c电催化材料形貌良好，在酸性、碱性溶液中表现出较好的电催化性能；

18、本发明采用聚乙烯吡咯烷酮(pvp)作为氮源与分散剂，合成有纳米棒状的cu3p/vn-c/c电催化材料，在热处理时不需额外添加氮源，同时热处理前后纳米棒状形貌得以保留；

19、本发明原料成本低，工艺简单，条件易于控制，制备方法绿色环保。

技术特征：

1.一种高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的超声清洗为按照超纯水、乙醇的顺序交替进行超声清洗，每次10min，分别清洗3次。

3.如权利要求1所述的高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的预氧化处理方法包括将干燥好的碳/碳基体浸泡在含有50ml浓硝酸与丙酮的混合溶液的烧杯中，其中浓硝酸与丙酮的体积比为3：2，采用锡箔纸与保鲜膜密封好烧杯，并放置在磁力加热搅拌器上于60℃，搅拌6h，结束后采用超纯水冲洗直至基体表面的ph为7，并干燥。

4.如权利要求1或3所述的高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料的制备方法，其特征在于，所述的干燥条件为在电鼓风干燥箱中50℃干燥6h。

5.如权利要求1所述的高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述的沉积反应的沉积电压为3～40v、水热温度为90～170℃，沉积时间为10min～3h。

6.如权利要求1所述的高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述的干燥条件为于电鼓风干燥箱中40℃干燥3h。

7.一种采用如权利要求1至6中任一项所述的方法制备的高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料。

8.一种如权利要求7所述的高效宽ph自支撑cu3p/vn-c/c电催化材料在电解水析氢中的应用。

技术总结
本发明公开了一种高效宽pH自支撑Cu<subgt;3</subgt;P/VN‑C/C电催化材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：对碳/碳基体进行超声清洗、烘干和液相氧化处理后，用二氯化铜、三氯化钒和聚乙烯吡咯烷酮配置混合溶液，将处理后的碳/碳基体在混合溶液中进行水热电沉积反应，完成后与次磷酸钠一起放置在管式炉中在氩气气氛下煅烧，得到自支撑Cu<subgt;3</subgt;P/VN‑C/C电催化材料，该材料电催化活性成分与基底的结合性强，不易脱落，可以达到较长时间的稳定性，不仅可以改善催化成分的分散性，还可以避免粉末电催化剂使用粘结剂带来的成本增高、易脱落等问题；且形貌良好，在酸性、碱性溶液中表现出较好的电催化性能。

技术研发人员：曹丽云,刘瑞,黄剑锋,冯亮亮,余泽翰,王东平,齐艺榕
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17