一种蜂蜜衍生多孔碳原位生长铌酸铁及其制备方法

本发明涉及电解水催化剂，具体涉及一种蜂蜜衍生多孔碳原位生长铌酸铁的方法。

背景技术：

1、为了解决化石燃料燃烧对环境的污染，清洁可再生资源的研发和利用成为迫切需求。氢能源具有高的能量密度（142 mj kg-1）和环境友好性是最理想的下一代清洁可持续能源。通常对于氢气的获取可通过以下方式：电解水、光解水、水煤气法和甲烷分解等。其中，电解水作为高效且稳定的方法被广泛使用。具体而言，整体的电解水分解反应是由析氢反应（her）和析氧反应（oer）所构成。理论上，电解水反应需要1.23 v的电位差来驱动。然而，对于电解水仍受到其反应动力学缓慢、催化剂材料、稳定性低等条件的限制。因此， 研发具有多活性位点、快速的反应动力学和高稳定性的新型催化剂是发展电解水技术的关键。

2、通常，大部分过渡金属氧化物、碳化物、硫族化物、磷化物和氮化物已被开发用于高效的整体水分解。其中，铁基化合物作为催化剂因其成本低、储量大和对环境友好性得以在水分解中广泛应用。然而，上述催化剂在碱性和酸性条件下的稳定性较差，难以实现在电解水中的高稳定性。相比较而言，铌（nb）是vb族的重要过渡金属元素，其具有多种化合价态的变化（+2，+3，+4，+5），展现出优异的物理化学性能，例如：高熔点、高硬度、耐腐蚀性和良好的电化学性能和催化活性。尤其铌基化合物具有良好的的催化性能。具体而言，nb与主相元素结合形成新物质，从而调节了电子结构；另一方面，nb 增强了活性相中元素的连接，使这些元素的氧化态发生改变，以达到提高催化性能的目的。综上所述，选取双金属氧化物铌酸铁（fenbo4）作为一种新型的催化剂可在电化学性能中展现出良好的稳定性。

3、但fenbo4仍存在一些限制性发展的因素。具体来说，传统的固相加热法合成铌酸铁时需要经过高温（> 1100 ºc）退火处理，在高温下纳米材料极易发生塌陷和团聚，这对材料的形貌及催化性能产生了负面影响。其次，fenbo4具有较差的电导率，降低了其电化学活性位点的利用率和材料的电催化性能。因此，为提高fenbo4的电导率、活性位点利用率、反应动力学和稳定性，可通过复合碳基材料、氧空位和杂原子掺杂（b、n、p、s和金属原子）等方法来优化其性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种由蜂蜜衍生多孔碳原位生长铌酸铁及其制备方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案是：一种蜂蜜衍生多孔碳原位生长铌酸铁的制备方法，由铌酸铁在蜂蜜衍生多孔碳中原位生长形成蜂窝状结构，其包括如下步骤：

3、（1）将蜂蜜和二氧化硅加入水中，于一定温度下进行搅拌蒸发处理，再退火得到c@sio2复合物；

4、（2）将步骤（1）制备的c@sio2复合物加入氢氧化钠溶液中，刻蚀除去二氧化硅，然后进行离心、洗涤、干燥处理制得多孔碳；

5、（3）将步骤（2）制备的多孔碳、氯化铌和六水合氯化铁加入异丙醇溶液中，依次进行水热、退火处理得到fenbo4@c；

6、（4）将步骤（3）制备的fenbo4@c于氨气氛围下进行退火处理得到所述蜂窝状结构的fenbo4-x@nc。

7、较佳的，步骤（1）中，蜂蜜与二氧化硅的质量比为1:1~3:1；蜂蜜和二氧化硅加入水中，形成混合溶液的浓度为0.2 g ml-1~0.4 g ml-1；搅拌蒸发处理温度为70 ºc~90 ºc，处理时间为4 h ~8 h。

8、较佳的，步骤（1）中，于氩气中在600 ºc±20 ºc下退火处理3 h，升温速率为2 ℃min-1。

9、较佳的，步骤（2）中，氢氧化钠溶液的浓度为4 mol l-1~6 mol l-1；刻蚀时间为4 h~ 10 h。

10、较佳的，步骤（3）中，多孔碳、氯化铌和六水合氯化铁的质量比为1:1:1~1:3:3，优选1:2:2；多孔碳、氯化铌和六水合氯化铁加入异丙醇溶液中形成混合溶液的浓度为0.04 gml-1~0.06 g ml-1；水热处理温度150 ºc ~220 ºc，水热处理时间18 h ~24 h，需要控制多孔碳的量，当加入少量的多孔碳时，铌酸铁易发生团聚；当加入过多的多孔碳时，复合物的催化性能较差。

11、较佳的，步骤（3）中，于氩气中在900 ºc±20 ºc下退火处理4 h。

12、较佳的，步骤（4）中，于氨气中在700 ºc±20 ºc下退火处理10 min~30 min。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

14、(1) 蜂蜜衍生多孔碳具有独特的纳米结构和大量的杂原子含量，同时来源广泛、成本低廉且对环境友好。

15、(2) 铌酸铁在多孔碳中原位生长，抑制了铌酸铁的团聚，保留了较大的比表面积，从而为析氧反应和析氢反应提供更多的活性位点。

16、(3)热处理中通氨气可制备氧空位，同时还进行了氮掺杂。氧空位有利于激发电活性位点和扩展离子传输路径；氮原子的引入改变了周围的电子环境，修饰多孔碳结构以产生更快的电荷转移。

17、氧空位有利于激发电活性位点和扩展离子传输路径；氮原子的引入改变了周围的电子环境，修饰多孔碳结构以产生更快的电荷转移。

技术特征：

1.一种蜂蜜衍生多孔碳原位生长铌酸铁的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，蜂蜜与二氧化硅的质量比为1:1~3:1；蜂蜜和二氧化硅加入水中，形成混合溶液的浓度为0.2 g ml-1~0.4 g ml-1；搅拌蒸发处理温度为70 ºc~90 ºc，处理时间为4 h ~8 h。

3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，于氩气中在600 ºc±20 ºc下退火处理3 h，升温速率为2 ℃ min-1。

4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，氢氧化钠溶液的浓度为4 mol l-1~6 mol l-1；刻蚀时间为4 h ~ 10 h。

5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，多孔碳、氯化铌和六水合氯化铁的质量比为1:1:1~1:3:3，优选1:2:2；多孔碳、氯化铌和六水合氯化铁加入异丙醇溶液中形成混合溶液的浓度为0.04 g ml-1~0.06 g ml-1；水热处理温度150 ºc ~220 ºc，水热处理时间18 h ~24 h。

6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，于氩气中在900 ºc±20 ºc下退火处理4 h。

7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，于氨气中在700 ºc±20 ºc下退火处理10 min~30 min。

8.如权利要求1-7任一所述的方法制备的蜂蜜衍生多孔碳原位生长铌酸铁，其特征在于，铌酸铁在蜂蜜衍生多孔碳中原位生长形成蜂窝状结构。

9.如权利要求8所述的蜂蜜衍生多孔碳原位生长铌酸铁，其特征在于，其具有氧空位。

10.如权利要求1-7任一所述的方法制备的蜂蜜衍生多孔碳原位生长铌酸铁作为催化剂用于电解水制氧和制氢中的用途。

技术总结
本发明公开了一种蜂蜜衍生多孔碳原位生长铌酸铁及其制备方法，其步骤为：将蜂蜜和二氧化硅的混合溶液进行搅拌蒸发，再进行高温碳化以及刻蚀除去二氧化硅，得到多孔碳，将多孔碳加入氯化铌和六水合氯化铁的混合溶液中水热处理，再于氨气下热处理得到FeNbO<subgt;4‑x</subgt;@NC。本发明所述方法抑制了铌酸铁团聚现象，提供了较大的比表面积和充分暴露的活性位点；此外，热处理中通以氨气可制备氧空位，同时还进行了氮掺杂。氧空位有利于激发电活性位点和扩展离子传输路径；氮原子的引入改变了周围的电子环境，修饰多孔碳结构以产生更快的电荷转移。基于以上调控，FeNbO<subgt;4‑x</subgt;@NC在析氧反应、析氢反应和全水解中展现出良好的电化学性能。

技术研发人员：付洪亮,柏永青,赵静,张淮浩
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15