[发明专利]室温铁磁二硒化钒纳米颗粒及其制备方法和作为析氧反应电催化剂的应用

说明书

本发明提供了一种室温铁磁二硒化钒纳米颗粒及其制备方法和作为析氧反应电催化剂的应用。所述制备方法具体为：提供衬底和靶材，所述靶材为二硒化钒靶和碳靶的混合靶材；在真空环境中，使所述衬底和靶材沿相反方向旋转，并利用准分子激光轰击所述靶材，使得所述靶材中的二硒化钒和碳交替沉积到所述衬底上；在惰性气体氛围中，将沉积了二硒化钒和碳的所述衬底进行退火处理，得到所述室温铁磁二硒化钒纳米颗粒。这种新颖的室温铁磁二硒化钒纳米颗粒在充分暴露边缘催化活性位点的同时保证了较好的导电性，且在外磁场作用下析氧反应性能可以得到大幅提升；其在电解水析氧反应中表现出优异的催化活性、良好的稳定性以及显著的磁场增强析氧反应。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及室温铁磁二硒化钒纳米颗粒及其制备方法和应用。

背景技术

析氧反应（Oxygen evolution reaction，OER）是水裂解、CO₂还原和金属空气电池等众多电化学储能和转换技术中的关键过程。但OER的四电子过程动力学缓慢，从根本上限制了其反应效率。近年来，理论和实验研究表明室温铁磁（Ferromagnetic，FM）电催化剂利用自旋相关动力学可降低OER动力学势垒（即从自旋平行排列的氧原子到具有三重基态的氧分子的过程），从而提高反应效率。然而，大多数成本效益好的电催化剂在室温下是非室温铁磁性的。2018年，Manuel Bonilla等人报道了单层二硒化钒（VSe₂）的室温铁磁性（《自然纳米技术》第13卷第289-293页），这得益于V 3d和Se 4p轨道杂化以及VSe₂与范德华衬底之间的相互作用。然而单层VSe₂在空气中极易氧化退化导致磁性消失，这对于实际应用来说是非常不理想的。因此，设计合成空气稳定的室温铁磁VSe₂催化剂是研究者面临的一大挑战。

另一方面，VSe₂具有优异的催化活性、结构稳定性和丰富的地球储量，被认为是可替代铂族贵金属的理想析氧反应电催化剂。VSe₂的催化活性主要来源于晶体的活性边缘，而大面积的基面是惰性的。为提高VSe₂析氧反应性能，一个很好的途径是增加其边缘活性位点数。其中，通过合成纳米颗粒等VSe₂纳米催化剂可极大限度地提高活性边缘的暴露，是增加边缘活性位点数的最有效的方法之一。然而，在设计新型高效催化剂时，除了增加活性位点数外，如何提高催化剂的导电性也是研究者需要考虑的一个主要问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种室温铁磁二硒化钒纳米颗粒及其制备方法，以及作为析氧反应电催化剂的应用。

本发明提供的一种室温铁磁二硒化钒纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

（1）提供衬底和靶材，所述靶材为二硒化钒靶和碳靶的混合靶材；

（2）在真空环境中，使所述衬底和靶材沿相反方向旋转，并利用准分子激光轰击所述靶材，使得所述靶材中的二硒化钒和碳交替沉积到所述衬底上；

（3）在惰性气体氛围中，将沉积了二硒化钒和碳的所述衬底进行退火处理，得到所述室温铁磁二硒化钒纳米颗粒。

优选地，所述靶材为通过银胶粘合的二硒化钒靶和碳靶混合靶材。更优选地，所述二硒化钒靶为高纯二硒化钒材料，其纯度大于等于99.99%；所述碳靶为高纯碳材料，其纯度大于等于99.99%。

优选地，所述真空环境是指气体压力小于等于1.0×10^-8托（Torr）的环境。

优选地，所述旋转的速度为20转每分钟。

优选地，所述准分子激光为248纳米的氟化氪（KrF）准分子激光，激光能量为300毫焦（mJ），激光频率为5赫兹（Hz）。

优选地，所述惰性气体为氩气。