[發明專利]一種碳包覆的鈷鎢雙金屬碳化物、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201410723029.2
• 申請日: 2014-12-01
• 公開（公告）號: CN104353478A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 李國棟;劉一蒲;鄒曉新;趙君
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B01J27/22
• 分類號: B01J27/22;C25B1/04
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;王恩遠

技術領域

本發明屬于雙金屬碳化物合成及電催化裂解水產氫應用技術領域，具體涉及一種碳包覆的鈷鎢雙金屬碳化物、制備方法及其在高效電催化裂解水產氫方面的應用。

背景技術

合理開發與利用能源是關乎人類生存的戰略性問題，風能、太陽能等新型能源由于儲量巨大、可再生性及清潔性而得到了極大的關注。將此類能源轉化為電能是解決其間斷性的絕佳方法，而電能通過電解水產氫進一步轉變為氫能則實現了此類能源從利用到存儲的理想路線，同時也獲得了有望改變人類現有能源結構的清潔能源。

能源利用效率是上述路線能否實現的關鍵因素：在電解水過程中，由于過電勢的存在導致電能消耗增加，能源利用效率大幅度下降，而催化劑可以有效降低裂解水的過電勢，從而提高電能的利用率。目前，效率最高的電催化裂解水產氫催化劑是鉑、鈀一類貴金屬及其相應復合物，但其相應的高成本、低儲量極大地限制了該類材料的廣泛應用，也使研究重點轉移到尋找可替代貴金屬的、高效非貴金屬催化劑上。

自從等人首次提出MoS₂納米粒子具有電催化裂解水產氫活性以來(J.Am.Chem.Soc.2005年127卷5308頁)，大量基于MoS₂以及其他過渡金屬硫族化合物(如WS₂、CoSe₂等)電催化裂解水產氫性質、機理及其相應復合材料的改性研究為非貴金屬電催化劑領域注入了強勁的活力。經過近10年研究，Li等人獲得了在pH為0的條件下與商業鉑-碳催化劑相近的電催化裂解水產氫催化劑(Adv.Mater.2014年26卷3761-3766頁)，一定程度上實現了替代貴金屬電催化劑的目標，但是，這還不能保證高效電催化裂解水產氫。

這是因為要實現電能的最大化利用，電解水的產氫產氧兩個半反應都需要有高活性催化劑參與。由于硫屬化合物的特性，該類材料無法在強堿性電解液(如pH＝14)中保持穩定，但需要指出的是，大多數電催化裂解水產氧催化劑都只能在強堿性電解液中達到較高活性并保持穩定，這使得它們很難與過渡金屬硫族化合物催化劑組合在一起實現電能的高效轉化。因此，合成一種在堿性條件下電催化裂解水產氫性質出色并能保持穩定的非貴金屬催化劑具有十分重要的科學意義與應用價值。

同時，盡管絕大多數電催化劑只在強酸或強堿條件下表現出最佳的性質，但基于環境影響與生物相容性的考慮，催化劑在中性電解液條件下的催化活性也是評價其意義的重要因素。從進一步降低成本的角度出發，在自然界的海水(不經任何凈化處理)條件下，催化劑的活性及穩定性同樣值得探究。

本發明提出的碳包覆的鈷鎢雙金屬碳化物是一種新型電催化裂解水產氫催化劑，之前從未被人報道過此種材料關于電催化裂解水產氫方面的催化活性。這種材料在酸性、堿性以及中性電解液中，也就是全pH值條件下都表現出優異的催化活性和穩定性，特別是在堿性條件下(pH為14)，此催化劑只需要73mV的過電勢，電流密度便能達到10mA/cm²，與目前最好的堿性條件下電催化裂解水產氫催化劑活性相當，甚至更勝一籌(ACS?Catal.2013年3卷166頁)。經過測試，由于鈷鎢雙金屬碳化物外表面包覆碳層的保護作用，這種材料能夠在自然海水(未經任何凈化處理)配制的電解液中保持穩定，并未明顯受到高濃度無機鹽類的侵蝕影響。需要進一步指出的是，合成該材料所需的原料廉價，合成方法簡單，有可能實現大規模工業生產。