[发明专利]一种三维介孔碳负载碳化钼及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米材料制备领域，公开了一种三维介孔碳负载碳化钼及其制备和应用。本发明将可溶性钼盐溶解在水中，然后加入有机物碳源和模板剂，调节溶液pH值到0～7.0，然后搅拌蒸干水分得到凝胶，凝胶进一步脱水得到干凝胶，在惰性气体或者还原气体气氛下，将干凝胶高温煅烧，有机物碳源碳化得到碳，且有机物碳源碳化过程产生的还原性物质能够将钼还原碳化得到纳米碳化钼，然后用稀酸浸泡除去即得目标产物。相比于块体碳化钼材料而言，三维介孔碳负载碳化钼具有导电的三维碳网络结构，更大的比表面积，更多的反应活性位点，且碳负载结构防止了碳化钼在高温煅烧时的团聚，因此三维介孔碳负载碳化钼具有优良的电催化性能。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种三维介孔碳负载碳化钼及其制备方法和应用。

背景技术

随着电解水制氢技术的发展，要获得成本低、高效率的电解水制氢方法，其所用的电极催化剂的需求是越来越明显。由于Pt等贵金属作为电解水催化剂成本高，储量低的特点，开发一种新型的非贵金属催化剂就成为了现在研究的热点，其中，过渡族金属碳化物在电解水的研究过程中引起了广泛的关注。过渡金属碳化物是通过在过渡金属晶格中嵌入碳原子并形成化学键而形成的。与其母体金属以及金属氧化物相比，过渡金属碳化物可以显示出迥然不同的物理和化学性质。过渡金属碳化物不仅具有高熔点、高硬度和高拉伸强度，同时拥有高电导与热导率。最近的研究表明，过渡金属碳化物表现出类似于贵金属的催化特性，而这些独特的催化特性和其电子结构与晶体结构密切相关。对于碳化钼来说，由于碳化钼独特的间隙化合物结构，碳原子嵌入到钼原子点阵中后会引起钼金属晶格的膨胀，使得钼金属原子之间的距离增加。这种金属-金属原子间距的增加会引起钼原子d能带收缩，从而导致钼的d能带密度的增加。另一方面，碳化钼中碳的s-p轨道和钼的d轨道会产生杂化，所产生的杂化d轨道可以呈现出类似于贵金属Pt的电子结构。根据能带理论，d能带的电子性质会显著地影响反应物的吸附与活化。因此碳化钼有望获得类似于贵金属Pt的催化特性，具有重要的研究价值。

碳材料因其耐酸碱性、高导电性等特点而具有作为高效稳定HER催化剂的潜力，然而弱的氢吸附能力(氢吸附吉布斯自由能ΔGH*,～1.3eV；而优异的HER催化剂往往具有～0eV的ΔGH*值)导致其体现极慢的催化动力学。而碳负载金属/合金催化剂(催化活性位点被认为是在表面的碳层上，因其优异的催化活性和稳定性而被称为“铠甲”催化剂)近年来受到了广泛关注。因此，开发碳复合催化剂对发展类铂性能的HER催化剂具有重大意义。另一方面，具有三维(3-D)网状结构的纳米材料由于其多功能性而倍受关注，如大的比表面积、三维多孔结构，大的比表面积和三维多孔结构是影响复合材料电催化性能的重要因素，它们有利于质子的吸附、活性位点的暴露、电解质的流动等。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种三维介孔碳负载碳化钼的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的三维介孔碳负载碳化钼。

本发明再一目的在于提供上述三维介孔碳负载碳化钼的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种三维介孔碳负载碳化钼的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备凝胶：将可溶性钼盐溶解在水中，再加入有机碳源和模板剂，混合均匀的混合溶液，调节混合溶液的pH值为0～7，再加热搅拌使混合溶液蒸干得到凝胶，将凝胶进一步加热脱水得到干凝胶；

(2)制备三维介孔碳负载碳化钼：将步骤(1)所得干凝胶研磨均匀，放入管式炉中高温碳化还原，反应过程中通入惰性气体或者还原气体，反应结束后，将所得产物用酸浸泡即得目标产物三维介孔碳负载碳化钼。

步骤(1)中所述的可溶性钼盐包括但不限于钼酸铵、氯化钼、钼酸钠等；

步骤(1)中所述的有机碳源包括但不限于柠檬酸、柠檬酸氢二铵、葡萄糖，二氰二氨、单氰胺等。