CN114934294B - 一种氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法 - Google Patents

一种氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法。将氯化钒和三聚硫氰酸机械混合后研磨；将研磨后的混合料装入瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，并在两端各放一个炉塞；排尽管式炉内空气，在惰性气氛下加热反应，反应结束后冷却至室温，研磨得到目标产物氮化钒/四硫化三钒。本发明制备的氮化钒/四硫化三钒电催化剂采用的是一步煅烧法，其具有反应过程简单，环境友好，适合工业化生产。同时异质结构暴露了大量的活性位点，促进了协同催化效应。当本发明材料应用在电解水催化剂时，表现出良好的电化学活性和稳定性。

Description

一种氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于电催化材料领域，具体涉及一种氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法。
背景技术
随着工业产业的大力发展，环境污染和资源枯竭的问题增大了人类对可再生清洁能源的需求，风能、太阳能、生物能等已经被广泛应用在我们的日常生活中，而氢能因绿色、高效、质能比高、燃烧产物无污染等特点被人们认为是一种有潜力的清洁能源。电解水反应与其逆反应(氢氧燃料电池)是“氢能源”的重要内容，传统的Pt基贵金属催化剂被认为是析氢和氧还原过程中催化性能最好的，但由于地壳中含量低，价格昂贵等缺点限制了制氢技术的大范畴商业化发展。所以开发价格低廉、来源广泛的非贵金属材料电催化剂是一项有重大意义的研究课题。
近年来，人们把目光投向极具前景的氮化钒和硫化钒。氮化钒作为一种重要的过渡金属氮化物，占据晶格间隙的N原子改变了金属d带的电子结构，使氮化物表面显示出了供电子的特性，因此VN能够表现出类似于贵金属Pt的电子性质。由于四硫化三钒固有的空位有序结构，其源于金属全层和金属空位层的排列方式，在进行掺杂或者复合时容易暴露缺陷，增加催化活性位点，能够表现出较好的电催化性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备条件简单、成本低廉、工艺过程容易操作且合成周期短的氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
1)按照质量比(4～6)：(25～35)称取氯化钒和三聚硫氰酸，机械混合后研磨；
2)将研磨后的混合料装入瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，并在两端各放一个炉塞；
3)排尽管式炉内空气，在惰性气氛下以5～10℃/min升温速率自室温升温至600～800℃，保温120min～180min；
4)保温结束后，冷却至室温，研磨得到目标产物氮化钒/四硫化三钒。
所述步骤2)中管式炉两端的炉塞间隔5cm放置。
所述步骤3)排尽管式炉内空气的方法为向管内通入惰性气体，继而进行4～6次抽气补气。
所述步骤3)中惰性气体为氩气，气流速率为40～50sccm。
相较于现有技术，具体有益效果如下：
1)从制备策略上比较，本发明制备的氮化钒/四硫化三钒电催化剂采用的是一步煅烧法，其具有反应过程简单，环境友好，适合工业化生产。
2)本发明制备的氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料，为氮化物与硫化物复合提供了思路，同时异质结构暴露了大量的活性位点，促进了协同催化效应。
3)当本发明材料应用在电解水催化剂时，表现出良好的电化学活性和稳定性。对本发明的氮化钒/四硫化三钒电催化剂在碱性(pH＝14)溶液下分别进行了HER和OER测试，当电流密度达到10mA/cm2所需的过电势分别为237mV和358mV。
附图说明
图1是本发明实施例1制备氮化钒/四硫化三钒电催化剂的X射线衍射(XRD)图谱。
图2是本发明实施例1制备氮化钒/四硫化三钒电催化剂的低倍扫描电镜(SEM)照片。
图3是本发明实施例1制备氮化钒/四硫化三钒电催化剂的高倍扫描电镜(SEM)照片。
图4是本发明实施例1制备氮化钒/四硫化三钒电催化剂在碱性条件下线性扫描伏安(LSV)曲线的产氢性能图(HER)。
图5是本发明实施例1制备氮化钒/四硫化三钒电催化剂在碱性条件下线性扫描伏安(LSV)曲线的产氧性能图(OER)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1：
1)按照质量比4：25称取氯化钒和三聚硫氰酸，机械混合后研磨；
2)将研磨后的混合料装入瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，并在两端间隔5cm各放一个炉塞；
3)向管内通入氩气，继而进行4次抽气补气排尽管式炉内空气，在气流速率为40sccm氩气气氛下以5℃/min升温速率自室温升温至600℃，保温120min；
4)保温结束后，冷却至室温，研磨得到目标产物氮化钒/四硫化三钒。
由图1的X射线衍射(XRD)图谱可以看出，所制备的电催化剂结晶性良好，结果表明样品中四硫化三钒和氮化钒共存；
由图2和图3的扫描电镜(SEM)照片可以看出，所制备的氮化钒/四硫化三钒电催化剂由纳米颗粒组成，错落的间隙增大了催化剂的表面积，有利于催化剂与电解质的接触，加速反应的进行；
由图4的线性扫描伏安曲线的产氢性能图可以看出，所制备的氮化钒/四硫化三钒电催化剂在当电流密度达到10mA/cm2所需的过电势仅为237mV；
由图5的线性扫描伏安曲线的产氧性能图可以看出，所制备的氮化钒/四硫化三钒电催化剂在当电流密度达到10mA/cm2所需的过电势仅为358mV。
实施例2：
1)按照质量比4：30称取氯化钒和三聚硫氰酸，机械混合后研磨；
2)将研磨后的混合料装入瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，并在两端间隔5cm各放一个炉塞；
3)向管内通入氩气，继而进行5次抽气补气排尽管式炉内空气，在气流速率为45sccm氩气气氛下以8℃/min升温速率自室温升温至700℃，保温150min；
4)保温结束后，冷却至室温，研磨得到目标产物氮化钒/四硫化三钒。
实施例3：
1)按照质量比5：35称取氯化钒和三聚硫氰酸，机械混合后研磨；
2)将研磨后的混合料装入瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，并在两端间隔5cm各放一个炉塞；
3)向管内通入氩气，继而进行6次抽气补气排尽管式炉内空气，在气流速率为50sccm氩气气氛下以10℃/min升温速率自室温升温至800℃，保温180min；
4)保温结束后，冷却至室温，研磨得到目标产物氮化钒/四硫化三钒。
实施例4：
1)按照质量比5：25称取氯化钒和三聚硫氰酸，机械混合后研磨；
2)将研磨后的混合料装入瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，并在两端间隔5cm各放一个炉塞；
3)向管内通入氩气，继而进行4次抽气补气排尽管式炉内空气，在气流速率为40sccm氩气气氛下以5℃/min升温速率自室温升温至600℃，保温180min；
4)保温结束后，冷却至室温，研磨得到目标产物氮化钒/四硫化三钒。
实施例5：
1)按照质量比6：30称取氯化钒和三聚硫氰酸，机械混合后研磨；
2)将研磨后的混合料装入瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，并在两端间隔5cm各放一个炉塞；
3)向管内通入氩气，继而进行5次抽气补气排尽管式炉内空气，在气流速率为45sccm氩气气氛下以8℃/min升温速率自室温升温至700℃，保温150min；
4)保温结束后，冷却至室温，研磨得到目标产物氮化钒/四硫化三钒。
实施例6：
1)按照质量比6：35称取氯化钒和三聚硫氰酸，机械混合后研磨；
2)将研磨后的混合料装入瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，并在两端间隔5cm各放一个炉塞；
3)向管内通入氩气，继而进行6次抽气补气排尽管式炉内空气，在气流速率为50sccm氩气气氛下以10℃/min升温速率自室温升温至800℃，保温120min；
4)保温结束后，冷却至室温，研磨得到目标产物氮化钒/四硫化三钒。

Claims (4)

1.一种氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法，其特征在于：
1)按照质量比(4～6)：(25～35)称取氯化钒和三聚硫氰酸，机械混合后研磨；
2)将研磨后的混合料装入瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，并在两端各放一个炉塞；
3)排尽管式炉内空气，在惰性气氛下以5～10℃/min升温速率自室温升温至600～800℃，保温120min～180min；
4)保温结束后，冷却至室温，研磨得到目标产物氮化钒/四硫化三钒。
2.根据权利要求1所述的氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中管式炉两端的炉塞间隔5cm放置。
3.根据权利要求1所述的氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)排尽管式炉内空气的方法为向管内通入惰性气体，继而进行4～6次抽气补气。
4.根据权利要求1所述的氮化钒/四硫化三钒异质结复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中惰性气体为氩气，气流速率为40～50sccm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111203254A (zh) * 2020-01-13 2020-05-29 陕西科技大学 一种Co-N高活性物种修饰的硫化钒产氢电催化剂及其制备方法和应用

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钒基异质结的制备及在锂硫电池中的应用;杨亚东;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》(第1期);B014-370 *
钴/钒硫化物电催化材料的制备及其性能研究;王琳琳;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》(第2期);B015-318 *

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