[發明專利]電解水制氫的催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 201611167015.2
• 申請日: 2016-12-16
• 公開（公告）號: CN106582712A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 李亞北;康鵬
• 申請（專利權）人: 碳能科技（北京）有限公司
• 主分類號: B01J23/89
• 分類號: B01J23/89;C25B1/04;C25B11/08
• 代理公司: 北京律智知識產權代理有限公司11438
• 代理人: 于寶慶,吳婭妮

技術領域

本發明涉及一種催化劑及其制備方法，尤其涉及一種電解水制氫的催化劑及其制備方法。

背景技術

隨化石能源的過渡開采和利用以及全球環境問題的日益加重，新型清潔能源的技術開發和規模化應用越來越得到人們重視，如太陽能、風能和潮汐能等。其中，氫氣可利用水來制得，來源廣泛。同時，氫氣的燃燒熱值高且燃燒產物無污染。因此，氫能源具有廣闊的開發前景。

目前，工業上制氫的方法主要有電解水制氫、以礦物燃料為能源制氫、生物質汽化和微生物制氫，同時，熱解、發酵、石化等產業的副產物也能得到氫氣。電解水制氫是較為容易實現工業化的生產方法，以電解池為反應體系，在陰陽極上施加一定外電壓，陰極即發生析氫反應，實現電能向化學能的轉換，得到純度較高的氫氣。

然而，電解過程中的高能耗使電力成本成為制約電化學制氫發展的主要問題。同時，鉑作為電解水反應最有效率的陰極催化劑之一，其稀缺的資源存儲量和昂貴的價格也制約著電化學制氫的應用和發展。

發明內容

本發明針對上述電解水催化劑成本高，電化學效率低等不足，提供一種納米鉑銅合金與炭黑的復合材料作為電化學制氫催化劑及其制備方法。

一種電解水制氫的催化劑，所述催化劑是碳擔載納米鉑銅合金。

根據本發明的一實施方式，所述催化劑中鉑占所述合金總質量的5％-15％。

根據本發明的另一實施方式，所述納米鉑銅合金占所述催化劑質量的80％以上。

根據本發明的另一實施方式，所述納米鉑銅合金的晶粒尺寸為2-20納米。

一種上述催化劑的制備方法，包括如下步驟：

S1：按質量比例稱取銅源化合物、鉑源化合物和穩定劑，分別將所述銅源化合物、鉑源化合物和穩定劑溶于水中形成水溶液；將所述鉑源化合物水溶液、銅源化合物水溶液和穩定劑的水溶液混合得到前驅體溶液；

S2：將碳擔載體加入到所述前驅體溶液中，均勻分散；以及

S3：將還原劑加入到S2步驟形成的溶液中，充分反應。

根據本發明的一實施方式，所述鉑源化合物是氯鉑酸六水合物。

根據本發明的另一實施方式，所述穩定劑是水溶性檸檬酸及鹽、聚乙烯吡咯烷酮、乙二胺四乙酸中一種或幾種。

根據本發明的另一實施方式，所述碳擔載體是炭黑、乙炔黑、科琴黑、納米碳纖維、納米碳管中的一種或幾種。

根據本發明的另一實施方式，所述還原劑是硼氫化物、抗壞血酸、酒石酸鹽中一種或幾種，所述還原劑的摩爾量是金屬摩爾量的3-6倍。

根據本發明的另一實施方式，在S3步驟之前，還包括持續通高純氮氣使還原反應過程均處于高純氮氣保護步驟。

相對于現有技術，本發明的制備的負載在活性炭上的納米鉑銅合金材料作為電化學制氫的催化劑，由于納米材料比表面積較大，使單位質量催化劑具有更多的活性位點，提高電化學催化效率。同時銅的加入減少了鉑的載量，進一步降低了成本。并且，由于金屬間的協同作用，鉑銅合金可以有效的降低電化學反應的過電位，降低了電解池電壓，減少了能耗成本。

附圖說明

通過參照附圖詳細描述其示例實施方式，本發明的上述和其它特征及優點將變得更加明顯。

圖1是本發明的PtCu/C催化劑的X射線衍射結果；

圖2是本發明的Pt_0.1Cu_0.9/C為催化劑的極化曲線；

圖3是本發明的不同催化劑的極化曲線對比；以及

圖4是本發明的不同Pt：Cu比例(5：95、10：90、15：85)的PtCu/C催化劑的極化曲線對比。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明作詳細說明。

本發明的碳擔載納米銅鉑合金催化劑，降低電解水催化劑中鉑的載量，提高鉑的利用率是降低成本的有效手段。

本發明的催化劑是擔載在碳擔載體上的納米銅鉑合金，催化劑的制備方法包括S1：準備前驅體溶液步驟；S2：加入碳擔載體步驟；S3：濕化學還原步驟。然而，本領域技術人員可以理解，本發明的制備方法并不是僅限于上述3個步驟，除了上述3步驟以外，還可以包括例如后述的預過濾步驟、清洗步驟、干燥步驟和粉碎步驟等。

以下，對上述工序S1～S3和其它工序依次進行說明。

S1：準備前驅體溶液步驟

按質量比例稱取銅源化合物、鉑源化合物和穩定劑，分別將銅源化合物、鉑源化合物和穩定劑溶于水中形成水溶液。將鉑源化合物水溶液、銅源化合物水溶液和穩定劑的水溶液混合得到前驅體溶液。