一种氧化钒纳米束自支撑电极材料及其制备方法

1.本发明涉及电解水催化技术，具体涉及一种氧化钒纳米束自支撑电极材料及其制备方法。


背景技术：

2.近四十年来，在燃料电池技术和电催化领域，各种各样钒的氧化物得到了广泛的关注，包括vo2，v2o3和v2o5等。
3.xu等人提出了以金属离子掺杂锌钒(氧)氢氧化物为前体，制备了不同合金纳米颗粒锚定三维多级纳米多孔v2o3纳米片[haitao xu,li liu,jiaojiao gao,et al.hierarchical nanoporous v2o3nanosheets anchored with alloynanoparticles for efficient electrocatalysis.acs applied materials&interface,october 12,2019,acs]。通过高温还原和腐蚀制备了锚定镍铁合金纳米粒子纳米多孔v2o3纳米片。kajal kumar dey等人利用水热法第一次制备了v
10o24
·
nh2o纳米纤维作为一种性能优良的电催化剂材料[kajal kumar dey(a),shwetambarajha，et al.layered vanadium oxide nanofibers as impressive electrocatalyst for hydrogen evolution reaction in acidic medium.electrochimicaacta(2019).2019.04.185ea 34133]。其在酸性介质中可以作为很好的her电催化剂。以上制备方法合成的氧化钒为不规则球状或纤维状。
[0004]
过渡金属钒具有多样的结构和价态，且结构和价态的易转化性使其成为一种优异的电催化材料。显然，高比表面积形貌，疏松多孔且导电性强的氧化钒催化剂在实际的应用中会具有显著的优越性。但是由于钒氧化物体系价态的多样性、复杂性、易变性以及不易控制性，目前还没有关于氧化钒晶体其他形貌的相关报道。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种由纳米片组成的束状的氧化钒纳米束自支撑电极材料及其制备方法。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0007]
一种氧化钒纳米束自支撑电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]
步骤一：称取0.5～1g偏钒酸铵、0.5～1mg草酸和0.1～0.4g的mcm-48加入到20～40ml超纯水中，搅拌均匀，得到混合溶液a；
[0009]
步骤二：向混合溶液a中加入预处理后的泡沫镍，然后将其转移至反应釜中密封，并于140～180℃下水热反应12～24h；
[0010]
步骤三：反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，取出泡沫镍，采用水洗、醇洗交替洗涤干净后置于空气中自然晾干得到氧化钒纳米束自支撑电极材料。
[0011]
进一步地，所述步骤一中的搅拌采用磁力搅拌器在常温下搅拌，搅拌转速为400～600r/min，搅拌时间为30～60min。
[0012]
进一步地，所述步骤二中预处理的具体操作为：将泡沫镍裁剪为(1.0～2.0)cm
×
(4.0～5.0)cm的长方形，然后将其浸入丙酮溶液中超声清洗干净后，再将其浸入到2～4mol/l的盐酸中超声清洗，最后用乙醇与去离子水交替冲洗干净，并在25～40℃下真空干燥得到预处理后的泡沫镍。
[0013]
进一步地，所述步骤二反应釜中混合溶液a和泡沫镍的填充比为40～70％。
[0014]
本发明还涉及一种由上述方法制备的氧化钒纳米束自支撑电极材料，所述氧化钒纳米束自支撑电极材料以泡沫镍为基底，所述氧化钒以厚度为100～200nm、宽度为800～1000nm、长度为25～35μm的纳米片构成束状形式均匀地原位生长在泡沫镍的表面。
[0015]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0016]
本发明采用低温一步水热合成方法制备氧化钒纳米束自支撑电极材料，该方法不需要大型设备和苛刻的反应条件，原料廉价易得，成本低，产率高，无需后期处理，对环境友好，适合大规模生产。同时，该方法工艺简单易控，制备的氧化钒纳米束自支撑电极材料化学组成均一，纯度高，将其作为电催化产氢材料表现出优异的电化学性能。此外，通过调节反应物浓度、配比、反应温度和反应时间，可以得到一系列具有不同纳米尺寸及微观结构的氧化钒，进而可以将其分类应用于不同的领域。本发明制备的氧化钒纳米束具有独特的微观结构，由厚度为100～200nm，宽度为800～1000nm，长度为25～35μm的纳米片组成，该结构能够极大地提升氧化钒作为电催化剂时的电化学性能和催化性能。
附图说明
[0017]
图1为本发明实施例1制备的氧化钒纳米束自支撑电极材料的扫描电镜(sem)图；
[0018]
图2为图1的局部放大图；
[0019]
图3为本发明实施例1制备的氧化钒纳米束自支撑电极材料的x-射线衍射(xrd)图谱；
[0020]
图4为本发明实施例1制备的氧化钒纳米束自支撑电极材料的产氢(her)线性扫描伏安(lsv)曲线。
具体实施方式
[0021]
以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。
[0022]
实施例1
[0023]
本实施例提供一种氧化钒纳米束自支撑电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0024]
步骤一：称取0.5g偏钒酸铵、1mg草酸以及0.3g的mcm-48(mcm-48是一种分子筛属于m41s系列介孔分子筛，具有约2.6nm左右的均一孔径及两套相互独立的三维螺旋孔道网络结构)加入30ml超纯水中，常温下以450r/min的转速磁力搅拌30min，得到混合溶液a；
[0025]
步骤二：将泡沫镍裁剪成1cm
×
5cm的长方形，然后将其浸入丙酮溶液中超声清洗干净后，再将其浸入到3mol/l的盐酸中进行超声清洗，最后依次用乙醇与去离子水交替冲洗干净，在40℃下真空干燥得到预处理后的泡沫镍，将预处理后的泡沫镍浸没在混合溶液a中，按50％的填充比将泡沫镍及混合溶液a装入反应釜内衬中密封，将密封好的内衬装于外釜中，放入烘箱在140℃下水热反应18h；
[0026]
步骤三：反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，取出泡沫镍，采用水洗、醇洗交替洗涤干净后置于空气中自然晾干得到大小均匀的氧化钒纳米束自支撑电极材料。
[0027]
图1、图2为本实施例制备的氧化钒纳米束自支撑电极材料的扫描电镜(sem)图；从图中可以看出基体表面均匀分布有纳米束状结构，且所述纳米束由厚度为100～200nm，宽度为800～1000nm，长度为25～35μm的纳米条组成。
[0028]
图3为本实施例制备的氧化钒纳米束自支撑电极材料的x-射线衍射(xrd)图谱；从图中可以看出其物相为钒氧化物。
[0029]
图4为本实施例制备的氧化钒纳米束自支撑电极材料的产氢(her)线性扫描伏安(lsv)曲线图；从图中可以看出，该样品当电流密度在10mv/cm2时，过电势仅为151mv，在电流密度为100ma/cm2时，它的过电势仅为367mv，具有良好的电催化析氢活性。
[0030]
实施例2
[0031]
本实施例提供一种氧化钒纳米束自支撑电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0032]
步骤一：称取1g偏钒酸铵、1mg草酸以及0.4g的介孔二氧化硅mcm-48加入30ml超纯水中，常温下以450r/min的转速磁力搅拌60min，得到混合溶液a；
[0033]
步骤二：将泡沫镍裁剪成1cm
×
4cm的长方形，然后将其浸入丙酮溶液中超声清洗干净后，再将其浸入到2mol/l的盐酸中进行超声清洗，最后依次用乙醇与去离子水交替冲洗干净，在25℃下真空干燥得到预处理后的泡沫镍，将预处理后的泡沫镍浸没在混合溶液a中，按70％的填充比将泡沫镍及混合溶液a装入反应釜内衬中密封，将密封好的内衬装于外釜中，放入烘箱在160℃下水热反应14h；
[0034]
步骤三：反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，取出泡沫镍，采用水洗、醇洗交替洗涤干净后置于空气中自然晾干得到大小均匀的氧化钒纳米束自支撑电极材料。
[0035]
实施例3
[0036]
本实施例提供一种氧化钒纳米束自支撑电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0037]
步骤一：称取0.5g偏钒酸铵、1mg草酸以及0.3g的介孔二氧化硅mcm-48加入25ml超纯水中，常温下以550r/min的转速磁力搅拌30min，得到混合溶液a；
[0038]
步骤二：将泡沫镍裁剪成1cm
×
5cm的长方形，然后将其浸入丙酮溶液中超声清洗干净后，再将其浸入到4mol/l的盐酸中进行超声清洗，最后依次用乙醇与去离子水交替冲洗干净，在30℃下真空干燥得到预处理后的泡沫镍，将预处理后的泡沫镍浸没在混合溶液a中，按40％的填充比将泡沫镍及混合溶液a装入反应釜内衬中密封，将密封好的内衬装于外釜中，放入烘箱在180℃下水热反应12h；
[0039]
步骤三：反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，取出泡沫镍，采用水洗、醇洗交替洗涤干净后置于空气中自然晾干得到大小均匀的氧化钒纳米束自支撑电极材料。
[0040]
实施例4
[0041]
本实施例提供一种氧化钒纳米束自支撑电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0042]
步骤一：称取0.5g偏钒酸铵、1mg草酸以及0.2g的介孔二氧化硅mcm-48加入40ml超纯水中，常温下以550r/min的转速磁力搅拌40min，得到混合溶液a；
[0043]
步骤二：将泡沫镍裁剪成1.5cm
×
5cm的长方形，然后将其浸入丙酮溶液中超声清洗干净后，再将其浸入到3mol/l的盐酸中进行超声清洗，最后依次用乙醇与去离子水交替冲洗干净，在35℃下真空干燥得到预处理后的泡沫镍，将预处理后的泡沫镍浸没在混合溶液a中，按60％的填充比将泡沫镍及混合溶液a装入反应釜内衬中密封，将密封好的内衬装于外釜中，放入烘箱在140℃下水热反应24h；
[0044]
步骤三：反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，取出泡沫镍，采用水洗、醇洗交替洗涤干净后置于空气中自然晾干得到大小均匀的氧化钒纳米束自支撑电极材料。
[0045]
实施例5
[0046]
本实施例提供一种氧化钒纳米束自支撑电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0047]
步骤一：称取0.8g偏钒酸铵、0.5mg草酸以及0.4g的介孔二氧化硅mcm-48加入20ml超纯水中，常温下以400r/min的转速磁力搅拌60min，得到混合溶液a；
[0048]
步骤二：将泡沫镍裁剪成2cm
×
5cm的长方形，然后将其浸入丙酮溶液中超声清洗干净后，再将其浸入到4mol/l的盐酸中进行超声清洗，最后依次用乙醇与去离子水交替冲洗干净，在30℃下真空干燥得到预处理后的泡沫镍，将预处理后的泡沫镍浸没在混合溶液a中，按50％的填充比将泡沫镍及混合溶液a装入反应釜内衬中密封，将密封好的内衬装于外釜中，放入烘箱在150℃下水热反应20h；
[0049]
步骤三：反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，取出泡沫镍，采用水洗、醇洗交替洗涤干净后置于空气中自然晾干得到大小均匀的氧化钒纳米束自支撑电极材料。
[0050]
实施例6
[0051]
本实施例提供一种氧化钒纳米束自支撑电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0052]
步骤一：称取1.0g偏钒酸铵、0.5mg草酸以及0.1g的介孔二氧化硅mcm-48加入40ml超纯水中，常温下以600r/min的转速磁力搅拌30min，得到混合溶液a；
[0053]
步骤二：将泡沫镍裁剪成1.5cm
×
4.5cm的长方形，然后将其浸入丙酮溶液中超声清洗干净后，再将其浸入到2mol/l的盐酸中进行超声清洗，最后依次用乙醇与去离子水交替冲洗干净，在30℃下真空干燥得到预处理后的泡沫镍，将预处理后的泡沫镍浸没在混合溶液a中，按40％的填充比将泡沫镍及混合溶液a装入反应釜内衬中密封，将密封好的内衬装于外釜中，放入烘箱在140℃下水热反应12h；
[0054]
步骤三：反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，取出泡沫镍，采用水洗、醇洗交替洗涤干净后置于空气中自然晾干得到大小均匀的氧化钒纳米束自支撑电极材料。
[0055]
实施例7
[0056]
本实施例提供一种氧化钒纳米束自支撑电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0057]
步骤一：称取1.0g偏钒酸铵、1.0mg草酸以及0.4g的介孔二氧化硅mcm-48加入20ml超纯水中，常温下以600r/min的转速磁力搅拌60min，得到混合溶液a；
[0058]
步骤二：将泡沫镍裁剪成2cm
×
4cm的长方形，然后将其浸入丙酮溶液中超声清洗干净后，再将其浸入到3mol/l的盐酸中进行超声清洗，最后依次用乙醇与去离子水交替冲洗干净，在40℃下真空干燥得到预处理后的泡沫镍，将预处理后的泡沫镍浸没在混合溶液a中，按60％的填充比将泡沫镍及混合溶液a装入反应釜内衬中密封，将密封好的内衬装于外釜中，放入烘箱在180℃下水热反应24h；
[0059]
步骤三：反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，取出泡沫镍，采用水洗、醇洗交替洗涤干净后置于空气中自然晾干得到大小均匀的氧化钒纳米束自支撑电极材料。