CN108620110B - 一种碳化钒/石墨烯纳米片复合材料、制备方法及其在水裂解产氢方面的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化钒/石墨烯纳米片复合材料的制备方法，包括：配制包含石墨烯纳米片、碳源、偏钒酸铵、及去离子水的前驱体混合液；对前驱体混合液进行水热反应，得到粉体中间产物；充分研磨中间产物，气氛保护下于700‑1200℃进行热处理，得到碳化钒/石墨烯纳米片复合材料。本发明还公开了这种碳化钒/石墨烯纳米片复合材料以及该材料在水裂解产氢方面的应用。本发明中的载体石墨烯纳米片不仅大大提高了催化剂的导电能力，同时分散了碳化钒颗粒，从而提高了VC/GNS的催化活性；结构中的石墨烯保护了碳化钒粒子，使其免受电解液的腐蚀，因此可被用于电催化领域中的水裂解全pH值产氢电催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂的合成与应用技术领域，具体涉及一种碳化钒/石墨烯纳米片复合材料、制备方法及其在作为电催化裂解水产氢催化剂方面的应用。
背景技术
碳化钒材料作为过渡金属碳化物的一种，具有过渡族金属碳化物的一般特性，同时具有良好的导电，导热，催化性能，在物理、化学、材料领域具有广泛的应用。传统方法（如碳热还原法、前驱体法）所制备的碳化钒颗粒尺寸较大，主要是由于单相碳化钒烧结过程中容易发生团聚现象，应用在陶瓷工业领域。而碳化物（碳化钼、碳化钨等）由于具有类似铂族金属电子结构，已经被作为裂解水催化剂广泛研究，并且具有优异的催化性能及良好的稳定性。而碳化钒在电催化领域的相关文献仅有数篇而已，因此，有必要探索并研究碳化钒的制备方法，对单相碳化钒进行结构调控，以提高其作为裂解水产氢催化剂的性能。
根据近些年来的文献报道，目前碳化物的结构调控，主要有以下几个手段：(1)粒子超小化；(2)杂原子的修饰；(3)利用各种载体设计负载型催化剂，提高分散性与活性表面。为了提高碳化钒的催化活性和稳定性，本工作将碳化钒负载于石墨烯纳米片的表面，石墨烯纳米片是一种一维碳基纳米材料，它具有碳纳米材料优异的物理化学性能，如高导电性、优异的力学性能和良好的化学稳定性等。可以支撑碳化钒纳米粒子的原位生长，抑制碳化钒粒子的团聚，使得催化剂暴露更多活性位点，从而提高复合材料的催化活性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化钒/石墨烯纳米片（VC/GNS）复合材料、制备方法及其在作为电催化裂解水产氢催化剂方面的应用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种VC/CNTs产氢电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：配制足够体积的浓度5mg/mL的石墨烯纳米片水溶液；
步骤二：称取碳源，偏钒酸铵，质量比为（1-3）：1，置于烧杯中，加入20ml去离子水，滴入一定体积的步骤一中的石墨烯纳米片水溶液，得到前驱体混合液；
步骤三：该混合液置于50mL反应釜，160℃-200℃水热反应12-24h，冷却至室温后将得到的粉体离心、水洗醇洗交替六次，真空干燥，得到中间产物；
步骤四：将中间产物充分研磨20～50min，置于瓷舟中，一定气氛下在管式炉中反应，温度范围为700-1200℃，保温时间为2-5h，升温速率为10℃/min，得到VC/GNS产氢电催化剂。
上述步骤二中的碳源是指柠檬酸、葡萄糖、尿素、蔗糖中的一种；
上述步骤四中的一定气氛是指氩气、氮气、真空中的任意一种。
以及一种通过上述方法制备的VC/GNS产氢电催化剂，本发明制备的VC/GNS产氢电催化剂，样品形貌均匀，催化活性高，稳定性好。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1）本发明VC/GNS的合成策略，为碳化物电催化剂的设计提供了思路；
2）本发明中的载体石墨烯纳米片不仅大大提高了催化剂的导电能力，同时分散了碳化钒颗粒，从而提高了VC/GNS的催化活性；
3）该方法制备的VC/GNS产氢电催化剂可被应用于电催化领域中的水裂解全pH值产氢电催化剂，这是由于结构中的石墨烯保护了碳化钒粒子，使其免受电解液的腐蚀。
附图说明
图1为实施例1中制备的VC/GNS的XRD图；
图2为实施例4中制备的VC/GNS的TEM图。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步详细说明，应理解，这些实施例仅用于说明而不用于限制本发明的范围。此处应理解，在阅读了本发明授权的内容之后本领域技术人员可以对本发明做任何改动或修改，这些等价同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
步骤一：配制5mL浓度5mg/mL的石墨烯纳米片水溶液；
步骤二：称取柠檬酸0.6g，偏钒酸铵0.3g，置于烧杯中，加入20ml去离子水，滴入5mL石墨烯纳米片水溶液，得到前驱体混合液；
步骤三：该混合液置于50mL反应釜，160℃水热反应12h，冷却至室温后将得到的粉体离心、水洗醇洗交替六次，真空干燥，得到中间产物；
步骤四：将中间产物充分研磨20min，置于瓷舟中，氩气气氛下在管式炉中反应，温度范围为700℃，保温时间为5h，升温速率为10℃/min，得到VC/GNS产氢电催化剂。
图1是本实施例所制备的VC/GNS电催化剂的XRD图谱，从图中可以看出样品对应的VC标准PDF卡片号为65-8819，四个衍射峰分别对应晶面（111）、（200）、（220）和（311），衍射峰尖锐，且强度高，说明该实施例得到的碳化钒结晶性很好。
实施例2
步骤一：配制10mL浓度5mg/mL的石墨烯纳米片水溶液；
步骤二：称取葡萄糖0.9g，偏钒酸铵0.3g，置于烧杯中，加入20ml去离子水，滴入10mL石墨烯纳米片水溶液，得到前驱体混合液；
步骤三：该混合液置于50mL反应釜，180℃水热反应18h，冷却至室温后将得到的粉体离心、水洗醇洗交替六次，真空干燥，得到中间产物；
步骤四：将中间产物充分研磨40min，置于瓷舟中，氩气气氛下在管式炉中反应，温度范围为800℃，保温时间为4h，升温速率为10℃/min，得到VC/GNS产氢电催化剂。
实施例3
步骤一：配制15mL浓度5mg/mL的石墨烯纳米片水溶液；
步骤二：称取尿素0.3g，偏钒酸铵0.3g，置于烧杯中，加入20ml去离子水，滴入15mL石墨烯纳米片水溶液，得到前驱体混合液；
步骤三：该混合液置于50mL反应釜，200℃水热反应24h，冷却至室温后将得到的粉体离心、水洗醇洗交替六次，真空干燥，得到中间产物；
步骤四：将中间产物充分研磨30min，置于瓷舟中，氮气气氛下在管式炉中反应，温度范围为900℃，保温时间为3h，升温速率为10℃/min，得到VC/GNS产氢电催化剂。
实施例4
步骤一：配制5mL浓度5mg/mL的石墨烯纳米片水溶液；
步骤二：称取蔗糖0.6g，偏钒酸铵0.3g，置于烧杯中，加入20ml去离子水，滴入5mL石墨烯纳米片水溶液，得到前驱体混合液；
步骤三：该混合液置于50mL反应釜，160℃水热反应12h，冷却至室温后将得到的粉体离心、水洗醇洗交替六次，真空干燥，得到中间产物；
步骤四：将中间产物充分研磨50min，置于瓷舟中，氩气气氛下在管式炉中反应，温度范围为1000℃，保温时间为2h，升温速率为10℃/min，得到VC/GNS产氢电催化剂。
图2是本实施例所制备的VC/GNS电催化剂的TEM图谱，从图中可以看出石墨烯片状结构保留，碳化钒纳米粒子均匀分散于石墨烯片上，二者的结合为电子转移提供了通道，协同作用促进了催化剂的活性。
实施例5
步骤一：配制10mL浓度5mg/mL的石墨烯纳米片水溶液；
步骤二：称取柠檬酸0.9g，偏钒酸铵0.3g，置于烧杯中，加入20ml去离子水，滴入10mL石墨烯纳米片水溶液，得到前驱体混合液；
步骤三：该混合液置于50mL反应釜，180℃水热反应24h，冷却至室温后将得到的粉体离心、水洗醇洗交替六次，真空干燥，得到中间产物；
步骤四：将中间产物充分研磨20min，置于瓷舟中，氩气气氛下在管式炉中反应，温度范围为1100℃，保温时间为2h，升温速率为10℃/min，得到VC/GNS产氢电催化剂。
实施例6
步骤一：配制15mL浓度5mg/mL的石墨烯纳米片水溶液；
步骤二：称取葡萄糖0.3g，偏钒酸铵0.3g，置于烧杯中，加入20ml去离子水，滴入15mL石墨烯纳米片水溶液，得到前驱体混合液；
步骤三：该混合液置于50mL反应釜，200℃水热反应18h，冷却至室温后将得到的粉体离心、水洗醇洗交替六次，真空干燥，得到中间产物；
步骤四：将中间产物充分研磨30min，置于瓷舟中，氩气气氛下在管式炉中反应，温度范围为1200℃，保温时间为1h，升温速率为10℃/min，得到VC/GNS产氢电催化剂。
Claims (4)
1.一种碳化钒/石墨烯纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
配制包含不多于1质量份的石墨烯纳米片、4-12质量份的碳源、4质量份的偏钒酸铵及足量的去离子水的前驱体混合液；对前驱体混合液160℃-200℃水热反应12-24h，得到粉体中间产物；充分研磨中间产物，气氛保护下于700-1200℃进行热处理，得到碳化钒/石墨烯纳米片复合材料；
所述碳源为柠檬酸、葡萄糖、尿素、蔗糖中的一种或几种；
热处理时所采用的气氛保护为氩气、氮气中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种碳化钒/石墨烯纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：所述前驱体混合液由包括以下步骤的方法得到：
配制石墨烯纳米片水溶液；
按配方中碳源与偏钒酸铵的配比，配制包含碳源和偏钒酸铵的混合液；
按配方中石墨烯与偏钒酸铵的配比，将石墨烯纳米片水溶液与包含碳源和偏钒酸铵的混合液相混合，得到前驱体混合液。
3.根据权利要求1所述的一种碳化钒/石墨烯纳米片复合材料的制备方法，其特征在于：中间产物在气氛保护下进行热处理的时间为2-5h。
4.根据权利要求1所述的一种碳化钒/石墨烯纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤一：配制足够体积的浓度5mg/mL的石墨烯纳米片水溶液；
步骤二：按质量比（1-3）：1称取碳源与偏钒酸铵，将其溶解于足量的去离子水中，并与步骤一中的石墨烯纳米片水溶液相混合，得到前驱体混合液；
步骤三：将前驱体混合液在160℃-200℃水热反应12-24h，冷却至室温后将得到的粉体离心、水洗醇洗交替六次，真空干燥，得到中间产物；
步骤四：将中间产物充分研磨，置于瓷舟中，一定气氛下在管式炉中反应，温度范围为700-1200℃，保温时间为2-5h，升温速率为10℃/min，得到碳化钒/石墨烯纳米片复合材料。
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