[发明专利]一种碳层负载的钨掺杂氮化钒纳米粒子复合电催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明提供一种碳层负载的钨掺杂氮化钒纳米粒子复合电催化剂及制备方法和应用，属于电化学能源技术领域，所述方法包括如下步骤：将三聚氰胺、偏钒酸铵和氯化钨混合均匀后研磨，三聚氰胺和偏钒酸铵的质量比为(40～60)：(10～16)，得到混合粉体；将混合粉体在保护气体中于800～1200℃进行热处理，之后冷却得到碳层负载的钨掺杂氮化钒纳米粒子复合电催化剂。W的掺杂优化了VN的电子结构和结晶性，C的包覆增强了该复合材料的导电性，不仅为VN基电催化材料的合成提供了新的思路，更进一步为设计具有高效的析氢活性的过渡金属掺杂氮化物提供了新的方法。

技术领域：

本发明属于电化学能源技术领域，具体为一种碳层负载的钨掺杂氮化钒纳米粒子复合电催化剂及制备方法和应用。

背景技术：

由于世界范围内化石燃料即将枯竭，以及温室气体排放日益增加，因此亟需开发替代可持续和生态友好的能源。氢作为一种碳中和燃料，依靠其在使用过程中污染物的零排放和丰富的储量受到广泛关注。目前，电催化水裂解技术因其高效、高纯度的特点而成为可持续制氢(反应式为2H₂O→O₂+2H₂)的迫切需要，见文献[Yan Y,He T,Zhao B,etal.Metal/Covalent-ganic Frameworks-Based Electrocatalysts for Water Splitting[J].Journal of Materials Chemistry A,2018,6(33):15905-15926]。

铂基材料是目前性能最好的析氢反应电催化剂，但在实际应用中受到价格昂贵、储存不足和稳定性差的限制，尤其是在碱性条件下，它们的长期稳定性较差。因此，开发一种经济、高效、在碱性电解液中具有与铂基材料相当的电催化性能的新型催化剂势在必行。

过渡金属氮化物(简写为TMNs)含量丰富，对环境友好，受到了广泛地关注。氮化钒(VN)是TMNs的典型代表，被认定为经济高效同时有发展前景的HER电催化剂而大量地研究，见文献[Feng L,Feng L,Huang J,et al.Ultrafine VN nanoparticles confined in Co@N-doped carbon nanotubes for boosted hydrogen evolution reaction[J].Journalof Alloys and Compounds,2021,853:157257.]。目前，通过优化结构配置，包括阳离子、阴离子掺杂或二者同时共掺杂界面结构和缺陷工程，已经做出了大量的努力来提高氮化钒基材料的HER催化活性。VN既拥有类Pt的d电子态密度，还因为其低成本，含量丰富，所以VN作为一种产氢电催化剂而被关注地较多，但是目前VN基电催化剂的析氢催化效率仍然有待提高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种碳层负载的钨掺杂氮化钒纳米粒子复合电催化剂及制备方法和应用，W的掺杂优化了VN的电子结构和结晶性，C的包覆增强了该复合材料的导电性，不仅为VN基电催化材料的合成提供了新的思路，更进一步为设计具有高效的析氢活性的过渡金属掺杂氮化物提供了新的方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种碳层负载的钨掺杂氮化钒纳米粒子复合电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将三聚氰胺、偏钒酸铵和氯化钨混合均匀后研磨，三聚氰胺和偏钒酸铵的质量比为(40～60)：(10～16)，得到混合粉体；

将混合粉体在保护气体中于800～1200℃进行热处理，之后冷却得到碳层负载的钨掺杂氮化钒纳米粒子复合电催化剂。

优选的，所述三聚氰胺和氯化钨的质量比为(40～60)：(6～12)。

优选的，将三聚氰胺、偏钒酸铵和氯化钨混合均匀后研磨20～40min，得到混合粉体。

优选的，所述的保护气体为氢-氩混合气或氩气。