[發明專利]一種氮摻石墨負載的磷摻雜碳化鉬納米線電催化制氫催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201611223255.X
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106637288B
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 唐頤;石張平;劉博倫;高伯旭;王洋霞;張亞紅
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C25B11/04
• 分類號: C25B11/04;C25B1/04
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于電催化制氫技術領域，具體為一種氮摻石墨負載的磷摻雜碳化鉬納米線電催化制氫催化劑及其制備方法。本發明催化劑整體呈直徑為100~200納米的表面粗糙的納米線結構，活性中心β?Mo₂C的粒徑分布為2~10納米，且緊密地鑲嵌在氮摻雜的石墨表面，磷則通過磷鉬鍵的形式均勻地摻雜進β?Mo₂C結構中；氮摻石墨為MoO_x?植酸?聚苯胺雜化前驅體中的聚苯胺經過高溫碳化過程中在位生成的氮摻石墨。該催化劑在酸性條件下表現出極高的電催化制氫活性和穩定性，其制備方法操作簡單且可調控性強，原料價格便宜，生產過程風險低，適用于大規模生產和工業電解水制氫。

技術領域

本發明屬于電催化制氫技術領域，具體涉及一種氮摻石墨負載的磷摻雜碳化鉬納米線電催化制氫催化劑及其制備方法。

背景技術

氫氣是一種重要的工業原料，廣泛用于石油化工、電子工業、冶金工業、精細有機合成、航空航天等領域。此外，氫氣具有的高的能量密度、優異的燃燒性能、清潔無污染（燃燒產物僅是水）等優點使其成為了傳統化石能源的最佳替代品。目前，工業制氫工藝嚴重依賴化石能源，主要的方法為石化催化裂化及天然氣蒸汽重整制氫，這些過程能耗很高，同時難以避免溫室氣體二氧化碳的生成和排放，從目前日益嚴峻的環境壓力和能量綜合利用的角度考慮，并不符合“綠色可持續發展”的能源發展戰略，嚴重制約了氫氣作為一種清潔能源在新能源領域的應用。近年來，新型發電技術得到了快速發展，例如太陽能發電、風力發電、核能發電、水力發電、地熱發電等，使得以往被認為是高能耗的電解水制氫技術重新引起了科學界的高度關注，電解水制氫技術甚至被許多科學家與企業家們譽為“最理想的工業制氫方法”。

電解水制氫技術的核心問題是高效、高穩定性和廉價的制氫電催化劑的開發。碳化鉬（MoC_x）是目前研究最廣泛的一種非貴金屬制氫電催化劑，因為其廉價、可觀的催化活性、高穩定性、簡單的合成方法以及寬泛的pH適用范圍，使其成為當前的研究熱點。目前，碳化鉬的合成過程均不可避免地使用高溫（~800℃），不可避免地會造成合成過程中碳化鉬顆粒的燒結與團聚，很難實現高度均勻分散的超細納米化結構；另外，碳化鉬（β-Mo₂C）的氫吸附吉布斯自由能（ΔG_H*）為-0.26eV，導致了Mo-H鍵過強，抑制了制氫反應中的Heyrovsky過程，從而抑制了β-Mo₂C的電催化制氫活性。因此，急需開發新的碳化鉬合成方法，以控制高溫合成中β-Mo₂C的團聚和燒結，通過納米工程的方法盡量暴露β-Mo₂C，增加制氫過程中活性位的數量，從而提高催化劑整體的電催化活性。此外，需要引入其他組分，對β-Mo₂C的電子結構進行調控，提高其ΔG_H*以削弱Mo-H鍵，從本質上提高β-Mo₂C的電催化制氫活性。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種氮摻石墨負載的磷摻雜碳化鉬納米線電催化制氫催化劑。該催化劑原料來源廣泛、成本低廉，且在酸性條件下表現出極高的電催化制氫活性和穩定性，可以代替現階段使用最廣的鉑基催化劑。

本發明的目的之二是提供上述一種氮摻石墨負載的磷摻雜碳化鉬納米線電催化制氫催化劑的制備方法。該方法設計思路清晰新穎，制備工藝操作簡單且可調控性強，生產過程風險低，適用于大規模生產。