[發明專利]一種含碳包鎳單壁碳納米管復合材料及其制備方法和用途

有效

• 申請號: 201810099232.5
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108220997B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 吳初新;官輪輝;張建碩
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C25B11/06
• 分類號: C25B11/06;C25B1/04;B82Y30/00;B82Y40/00
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本發明屬于能源催化材料領域，特別涉及一種含碳包鎳單壁碳納米管復合材料及其制備方法和用途。本發明通過直流電弧法一步合成出含碳包鎳單壁碳納米管復合材料的電解水催化劑，整個過程操作簡便易行，且以石墨和鎳金屬及合金為主要原料，成本低廉，易于實現規模化制備；得到的電解水催化劑具有天然的多孔網狀結構，且以單壁碳納米管為主要網絡框架，導電性好，非常有利于電解水反應過程中電子傳輸與氣體析出。將該材料作為電解水陽極催化劑表現出比工業上常用的二氧化銥催化劑更優的催化活性，同時其還具有析氫催化活性。

技術領域

本發明屬于能源催化材料領域，特別涉及一種含碳包鎳單壁碳納米管復合材料及其制備方法和用途。

背景技術

能源短缺是人類社會可持續發展進程中面臨的挑戰。電解水制氧和氫是解決能源短缺問題的一個有效途徑。然而，在電催化分解水過程中，電催化析氧反應的動力學過程要比析氫反應要緩慢得多，嚴重阻礙了水電解效率的提高。因此，開發高效的電解水析氧催化劑是提升電解水效率的關鍵。目前，工業上常用的電解水析氧析氫催化劑二氧化銥、二氧化釕或二氧化鉑被認為是目前工業最為高效的電解水析氧析氫催化劑。然而，這些催化劑屬于稀有金屬，在地球的儲量低，價格昂貴，制備成本居高不下，大大限制其產業化的廣泛應用。為了解決這個技術瓶頸，近年來開發的一些低廉的非貴金屬電解水催化劑備受廣泛關注，如硫酸鹽、硒化物、磷化物以及其他非貴金屬復合化合物等。然而，制備這些材料的方法通常包含復雜的合成和純化的過程，不僅過程繁瑣且耗時，不利于大規模產業化的推廣。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種含碳包鎳單壁碳納米管復合材料及其制備方法和用途。

本發明的技術方案是：

一種含碳包鎳單壁碳納米管復合材料，包含單壁碳納米管、包覆有納米金屬鎳的晶型碳顆粒以及包覆有納米金屬鎳的無定型碳，且這幾種碳材料成分間相互交錯，形成多孔的網狀結構。所述的被包覆的納米金屬鎳其尺寸為1～40nm。催化劑材料中鎳金屬含量為9.5wt％～40wt％。其既可以作為陽極析氧催化劑使用也可以作為陰極析氫催化劑使用。

一種含碳包鎳單壁碳納米管復合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)以直徑大于或等于陽極的純石墨棒作為陰極，以摻有含金屬鎳或鎳金屬合金催化劑和促進劑的石墨棒作為陽極，并將他們中的兩個端頭分別安裝在直流電弧放電室中的陰陽兩極，且保持陰陽兩極石墨棒另外兩個端頭水平相對。

2)對密閉的直流電弧放電室進行抽真空，然后再往直流電弧放電室通入氦氣，氦氣的初始壓強保持在0.2bar～1bar。

3)設定放電電流為60～120A,通電后陰陽兩極之間開始起弧放電。在放電起弧過程中保持陰陽兩極間的間距為1～10mm，且陽極石墨棒不斷被消耗直至其消耗完畢斷弧，放電室內網狀的黑色固體即為制備得到的含碳包鎳單壁碳納米管復合材料。

4)以步驟3)的產物為原料，在空氣氣氛中于280℃～480℃灼燒0.1～12h或在濃度為5wt％～30wt％的雙氧水中室溫或回流攪拌0.5～24h氧化除去原料中的部分無定型碳，再通過酸溶液溶解掉表面的氧化鎳得到去除無定型碳后的含碳包鎳碳納米管復合材料。

5)將異丙醇和5％Nafion溶液按照體積比(10～20)：1得到混合溶液，將步驟3)、4)得到的黑色固體超聲分散到混合溶液中，并涂抹在泡沫鎳電極上，干燥，得到電解水析氧電極，催化劑的載量為0.8mg/cm²。

所述的石墨棒的純度大于99％。

所述的金屬鎳或金屬鎳合金催化劑為金屬鎳或釔鎳合金中的一種或兩種，催化劑中鎳的含量為2at％～8at％，所述的含量指的是占石墨的總原子百分比。

所述的促進劑為單質硫、硫化亞鐵、硫化鐵、硫化鎳中的一種或多種，促進劑中硫的含量為0～1at％。