[发明专利]一种金属与氮共掺杂碳化钼催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种金属与氮共掺杂碳化钼催化剂及其制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：S1.将钼酸盐、4‑氯邻苯二胺、金属盐、溶剂混合得到混合溶液，加入酸调节混合溶液pH为1～6；钼酸盐中的Mo与所述4‑氯邻苯二胺中的NH₂的摩尔比为1：(1～5)，金属盐中的金属与钼酸铵中的钼的质量比为(1～5)：100；S2.将所述混合溶液进行恒温反应，然后过滤得到金属和氮共掺杂前驱体；所述恒温反应温度为40～60℃，时间为2～8h；S3.将所述金属和氮共掺杂前驱体进行热解碳化处理，得到金属与氮共掺杂碳化钼催化剂。本发明通过金属与氮的共同掺杂，调节了MoC表面的电子结构，从而使所述催化剂用于电催化析氢反应时，表现出优异的催化活性及稳定性。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，更具体地，涉及一种金属与氮共掺杂碳化钼催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氢能作为一种清洁能源，广泛应用于合成氨、石油精炼、甲醇等，而氢气目前的主要来源依旧是煤、石油、天然气。电解水制氢由于具有反应条件温和，原料来源广，产物无污染，能制取高纯氢等优点，因此具有重要的研究意义。

电解水制氢是由阴极析氢和阳极析氧反应组成，其理论分解电压为1.23V，但由于电极上的极化作用，使得施加电压需高于热力学势值。当施加的过电压过高，不仅会增大能耗，同时，在高电流密度下产氢，将使部分电能以热能形式散发，降低产氢效率。因此，设计一种催化剂以此降低电解水制氢的过电位，是目前电解水制氢领域亟待解决的一个关键问题。

铂基催化剂是催化活性最好的HER(析氢反应)催化剂，工业上使用的HER 催化剂为20％Pt/C，然而由于铂使用量过大且Pt/C催化剂稳定性较差，限制了其广泛应用。碳化钼(MoC)由于具有与贵金属Pt相似的费米能级结构，在诸多催化反应中表现出与贵金属Pt和Pd相似的催化性能，但现有碳化钼催化剂用于电解水析氢反应时，由于比表面积小和活性位点少，催化活性较低。

为解决该问题，中国发明专利CN 110681404 A公开了一种用于电解水阴极析氢反应的片状碳化钼催化剂，该催化剂能克服现有碳化钼催化剂比表面积小和活性位点少，进而导致催化活性低的问题，但该催化剂在碱性介质下，交换电流为10mA·cm^-2时，过电位最低仅为216mV。因此，现有用于碱性电解水阴极析氢反应的催化剂的催化活性仍有待进一步提高。

发明内容

本发明的首要目的是克服现有碳化钼催化剂用于碱性电解水阴极析氢反应时催化活性低的问题，提供一种金属与氮共掺杂碳化钼催化剂的制备方法。

本发明的另一目的是提供一种金属与氮共掺杂碳化钼催化剂。

本发明的进一步目的是提供上述金属与氮共掺杂碳化钼催化剂在碱性电解水制氢中的应用。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种金属与氮共掺杂碳化钼催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1.将钼酸盐、4-氯邻苯二胺、金属盐、溶剂混合得到混合溶液，加入酸调节混合溶液pH为1～6；钼酸盐中的Mo与所述4-氯邻苯二胺中的NH2的摩尔比为1：(1～5)，金属盐中的金属与钼酸铵中的钼的质量比为(1～5)：100；

S2.将所述混合溶液进行恒温反应，然后过滤得到金属和氮共掺杂前驱体；所述恒温反应温度为40～60℃，时间为2～8h。

S3.将所述金属和氮共掺杂前驱体进行热解碳化处理，得到金属与氮共掺杂碳化钼催化剂。

本发明通过直接将钼酸盐、4-氯邻苯二胺、金属盐混合的方式，实现金属与氮的共同掺杂，调节了MoC表面的电子结构，进而加强其水分解能力及减小对氢的过强吸附，调节HER过程的反应能垒，使得当所述催化剂用于电催化析氢反应时，表现出优异的催化活性及稳定性。

本发明中，所述溶剂选自去离子水。