[發(fā)明專利]一種氮化鎳納米復(fù)合電催化材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710055597.3
• 申請(qǐng)日: 2017-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN108339559A
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭振剛;趙旭東;盧嘉豪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津城建大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;B01J37/34;C25B1/04;C25B11/08
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發(fā)明提供一種氮化鎳納米復(fù)合電催化材料及其制備方法和應(yīng)用，氮化鎳納米復(fù)合電催化材料的結(jié)構(gòu)為六方晶系，顆粒尺寸為100?200nm，按照下述步驟進(jìn)行：制備氮化鎳納米材料，氮化鎳納米材料的燒結(jié)以及鉑納米顆粒的沉積。該催化劑由氮化鎳納米材料和金屬鉑顆粒(Ni₃N/Pt)復(fù)合而成，氮化鎳具有高的電導(dǎo)率，與Pt復(fù)合可以形成無肖特基勢壘阻礙的電子通路，配以合適的金屬氫氧化物催化活性位點(diǎn)，可以有效提高電解水過程中的電子轉(zhuǎn)移效率，從而降低電解水制氫的啟動(dòng)過電位和貴金屬Pt的消耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及催化技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種金屬/氮化鎳復(fù)合納米材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

近年來，由于化石燃料的大量開采與使用，導(dǎo)致二氧化碳排放過量，引起全球變暖等氣候問題，這就迫切要求人們開發(fā)可持續(xù)的新能源來代替化石能源。氫能，作為一種高能量密度且環(huán)境友好的能源，被認(rèn)為是一種非常有潛力的替代者，其開發(fā)與利用對(duì)于降低二氧化碳排放，進(jìn)而減緩全球溫室效應(yīng)有著重大意義。在眾多的產(chǎn)氫、制氫方法中，堿性電催化制氫因其生產(chǎn)安全、產(chǎn)物純度高而受到廣泛的關(guān)注。然而，堿性條件下緩慢的制氫動(dòng)力學(xué)過程卻嚴(yán)重阻礙了電催化劑的性能發(fā)揮。即使是公認(rèn)為最優(yōu)秀的鉑催化劑，其塔菲爾斜率以及過電位都遠(yuǎn)未達(dá)到最佳水平。這使得實(shí)際產(chǎn)氫過程中的催化劑用量及電能消耗增加，導(dǎo)致制氫成本大幅上升。雖然一些研究表明金屬氧化物和氫氧化物與鉑復(fù)合，可以明顯改善電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，提升制氫催化性能。但考慮到功函數(shù)的差距，這樣的復(fù)合催化劑在半導(dǎo)體與金屬的界面處通常會(huì)形成肖特基勢壘，阻礙電子傳遞，進(jìn)而限制催化劑性能的充分發(fā)揮。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種性能優(yōu)越的堿性產(chǎn)氫電催化劑。該催化劑由氮化鎳納米材料和金屬鉑顆粒(Ni₃N/Pt)復(fù)合而成，氮化鎳具有高的電導(dǎo)率，與Pt復(fù)合可以形成無肖特基勢壘阻礙的電子通路，配以合適的金屬氫氧化物催化活性位點(diǎn)，可以有效提高電解水過程中的電子轉(zhuǎn)移效率，從而降低電解水制氫的啟動(dòng)過電位和貴金屬Pt的消耗。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

一種氮化鎳納米復(fù)合電催化材料，由氮化鎳納米材料和沉積在氮化鎳納米材料中的鉑納米顆粒組成，氮化鎳納米材料的結(jié)構(gòu)為六方晶系，顆粒尺寸為100-200nm，鉑納米顆粒尺寸為8—15nm。

優(yōu)選的，氮化鎳納米材料的顆粒尺寸為150-180nm，鉑納米顆粒尺寸為10—12nm。

按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，將鎳鹽晶體、金屬氫氧化物和尿素混合后，向上述混合物中加入無水乙醇攪拌混合均勻后置于150-200℃溫度下反應(yīng)20-30h，反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)產(chǎn)物超聲清洗后置于60-100℃條件下恒溫干燥5-8h，得到氮化鎳粉末；

步驟2，將步驟1得到的氮化鎳粉末壓制成片狀氮化鎳，將上述片狀氮化鎳置于真空管式爐中燒結(jié)，燒結(jié)條件：真空度為3-7×10^-4Pa，溫度為400-500℃，保溫時(shí)間為1-3h，自然冷卻后得到片狀氮化鎳樣品；

步驟3，將片狀氮化鎳樣品固定在鎳金屬片上作為電化學(xué)沉積系統(tǒng)的工作電極，用石墨棒和飽和甘汞電極分別作為電化學(xué)沉積系統(tǒng)的對(duì)電極和參比電極，采用線性掃描伏安法在-1.8V--0.8V之間來回掃描以在片狀氮化鎳上沉積制備鉑納米顆粒，掃描速率為3-8mV/s。

在步驟1中，所述鎳鹽晶體采用六水合硫酸鎳或者六水合氯化鎳，所述金屬氫氧化物采用氫氧化鈉或者氫氧化鉀。

在步驟1中，反應(yīng)溫度為160-180℃，反應(yīng)時(shí)間為22-26h，超聲清洗采用蒸餾水以及無水乙醇分別清洗4-6次，干燥溫度為75-85℃，干燥時(shí)間為5-6h。

在步驟2中，真空度為4-6×10^-4Pa，溫度為420-460℃，保溫時(shí)間為1.5—2h。