[发明专利]一种介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁复合材料及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁复合材料及其制备。

背景技术

过渡金属氮化物在许多重要的化工反应中有良好的催化作用，比如氨的合成，加氢脱氮反应，加氢脱硫反应以及加氢处理过程。最近，得益于过渡金属氮化物独特的电子结构和金属特性，科学家们把过渡金属氮化物的应用拓展到了能源方向。过渡金属氮化物的金属特性使得过渡金属氮化物能够成为一种廉价的电极材料并应用于许多能量转化和储存器件中，比如燃料电池，金属-空气电池和电催化分解水系统。氮化镍铁(Ni₃FeN)是一种能够应用于这些反应的很有潜力的过渡金属氮化物。氮化镍铁纳米颗粒已经成功的通过高温氨化前体镍铁水滑石制备得到。但是在高温氨化过程中，前体镍铁水滑石会严重的团聚在一起，使得最终的氮化镍铁纳米颗粒尺寸变大，活性位点大量的被屏蔽，限制了氮化镍铁的进一步应用。

因此，通过设计切实有效的方法来制备抑制过渡金属氮化物在高温氨化过程中团聚，制备超薄超小的，暴露大量活性位点的过渡金属氮化物在实际应用中具有重要意义。

发明内容

基于以上背景技术，本发明提供一种介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁及其制备与应用。本发明通过反向微乳液法得到镍铁水滑石前体；在表面活性剂、硅源存在下，用溶胶-凝胶法在镍铁水滑石前体表面包覆具有介孔结构的二氧化硅材料，得到原始复合材料；将原始复合材料在氨气氛围中煅烧，得到最终的介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁复合材料。避免了以往制备方法中在高温氨化过程中，前体镍铁水滑石的团聚，使其活性位点尽可能的暴露，提高了其催化性能。并且本发明的制备方法条件温和、普遍适用，产品可宏量制备，有利于缩短实验室研究和工业化应用的距离。

本发明的一个方面提供一种介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁复合材料，所述复合材料的结构为Ni₃FeN@SiO₂，包括：超薄氮化镍铁基层和包覆在其表面的介孔二氧化硅。

优选地，所述超薄氮化镍铁基层的直径为18～22nm，厚度为2.8～3.2nm，所述介孔二氧化硅的孔径为2.4～3.2nm。

本发明另一个方面还提供上述介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)使用反相微乳液法制备镍铁水滑石；

2)将镍铁水滑石分散于水中，加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、NaOH和正硅酸乙酯(TEOS)，室温反应，后处理提纯得到原始复合材料；此步骤以CTAB为表面活性剂，TEOS为硅源，使用溶胶-凝胶法得到表面包覆有介孔二氧化硅的镍铁水滑石作为原始复合材料；

3)将步骤2)得到的原始复合材料于400～500℃温度下，氨气氛围中煅烧10～15h得到介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁复合材料。

优选地，反相微乳液法制备镍铁水滑石的具体步骤为：将正丁醇和N,N-二甲基十四烷基叔胺置于反应器中，高速搅拌以得到微乳环境，加入镍盐和铁盐，混合均匀；将混合液于密闭体系中进行水热晶化；反应结束后，用水和乙醇混合溶剂离心清洗产物，于烘箱烘干即得到镍铁水滑石。优选地，正丁醇和N,N-二甲基十四烷基叔胺体积比为15:24。优选地，镍盐和铁盐的摩尔比3:1，金属离子总浓度为0.08～0.23mol/L。优选地，所述镍盐为硝酸镍、氯化镍或硫酸镍；所述铁盐为硝酸镍、氯化镍或硫酸镍；优选地，水热晶化的温度为120℃，时间为24h。优选地，烘干的温度为50～60℃。

优选地，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为1.4～2.2mg/mL、正硅酸乙酯的体积浓度为0.6％～1％、NaOH的浓度为0.5～0.9mg/mL。

优选地，步骤2)中的后处理提纯为：离心，用水和乙醇混合溶剂洗涤，并于50～60℃烘干6～12h。

优选地，氨气流速为600～900mL/min。

优选地，水和乙醇混合溶剂中水和乙醇的体积比为1:1。

优选地，步骤3)中煅烧温度为500℃，时间为10h。

本发明的第三方面提供上述介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁复合材料的应用。

一种介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁复合材料催化氨硼烷水解产氢的应用。本发明发现介孔二氧化硅保护的超薄氮化镍铁复合材料在催化氨硼烷水解产氢反应中显示优异的活性。

另外，如无特殊说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

本发明的有益效果