[發明專利]一種雙功能復合電解水催化劑、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201811285094.6
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109453811B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 周思捷;彭智昆;袁磊;劉風勛;段家宇;趙子豪
• 申請（專利權）人: 鄭州大學第一附屬醫院
• 主分類號: B01J31/16
• 分類號: B01J31/16;B01J27/24;B01J35/10;C25B1/04;C25B11/093
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司 41111
• 代理人: 許艷敏

本發明公開了一種雙功能復合電解水催化劑、制備方法及其應用，首先以4?(2，4，6?tricarboxylphenyl)?2,2’：6’，2”?terpyridine為配體，通過與聚乙烯吡咯烷酮、可溶性鈷鹽、可溶性釕鹽混合配位，然后通過水熱反應得到復合材料RuCo?MOF，再通過焙燒得到氮摻雜多孔碳包覆RuCo合金的雙功能復合催化劑RuCo@NC。該催化劑中氮摻雜多孔碳為層狀結構，RuCo合金顆粒獨立均勻的分散在氮摻雜多孔碳層狀結構中。本發明采用簡單易操作、無污染的制備方法得到了低成本的雙功能復合催化劑，該催化劑在堿性介質中具有優異的產氫，產氧，全解水性能；在酸性，堿性，中性電解液中均具有優異的產氫性能；采用該催化劑能夠在同一pH值條件下進行水的全解，具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于催化劑技術領域，涉及一種雙功能復合電解水催化劑、制備方法及其應用。具體為氮摻雜多孔碳包覆釕-鈷合金的復合雙功能催化劑、制備方法及其應用。

背景技術

隨著煤炭、石油等傳統能源資源的短缺，及環境污染的加劇，開發綠色可持續新能源日益緊迫。氫氣由于其產物清潔、對環境無污染，來源廣泛而得到廣泛關注，電解水制備氫氣和氧氣是最為經濟有效的轉化和存儲氫氣的方法。但是在電解水過程包含兩個半反應，即陽極析氧反應和陰極析氫反應，兩個半反應均存在著過電位很大的問題，其緩慢的動力學過程限制了電解水整體的效率，并且在工業化電解過程中會消耗很大的能量，使得電解水制氫的成本大大增加。因此，開發高效的電解水催化劑以加快其電解速率具有很重要的意義。

目前，用于電解水產氫和電解水產氧的主要催化劑分別是貴金屬催化劑Pt/C和RuO₂，這些貴金屬催化劑價格昂貴、儲量有限，而且需要分別在陰極和陽極涂敷不同的催化劑，工藝繁瑣，所以貴金屬催化劑的使用限制了電解水的進一步發展。價格低廉的非貴金屬催化劑在此基礎上得到了一定的開發，但是非貴金屬催化劑穩定性較差，催化活性低，且在電解液中容易被腐蝕，無法完全代替貴金屬催化劑的催化性能。因此，如何將貴金屬與非貴金屬進行最優的結合逐漸成為現有技術研究的熱點。

碳材料因具有比表面積高、導電性能良好、耐腐蝕、價格低廉等優點，使其在催化劑領域中具有很大的應用前景，但是碳材料的催化活性與金屬相比存在很大差距，一些研究致力于摻雜N、S等雜原子來調控碳材料的電子轉移，并將其與金屬相結合，以改善其整體的催化性能。(《高活性的堿性析氫電催化劑：氮摻雜類石墨烯包覆的鈷-釕納米合金》,劉忠范，物理化學學報)文中公開了一種氮摻雜類石墨烯包覆鈷釕合金的催化劑，通過離子交換法將釕離子摻入到鈷氰酸鈷框架結構中，并使用這種釕摻雜的鈷氰酸鈷類普魯士藍粒子中作為前驅體在惰性氣氛找那個焙燒一步法制備得到該催化劑。該過程中采用離子交換法制備的氮摻雜包覆合金離子的催化劑，且采用鈷氰酸結構框架，制備方法復雜繁瑣、難以控制。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種雙功能復合電解水催化劑，該催化劑將貴金屬與非貴金屬相結合，并與氮摻雜多孔碳材料相結合，得到的催化劑催化性能明顯提高，且能夠在pH值的全范圍內使用，即可以同時在電解水過程中的陰極和陽極使用，具有高效的雙功能催化性能；

本發明還提供了一種雙功能復合電解水催化劑的制備方法，該方法直接將釕與鈷進行配位，操作簡便，而且有益于合金的形成；

本發明還提供了一種雙功能復合電解水催化劑在電解水中的應用。

本發明是通過以下技術方案實現的

一種雙功能復合電解水催化劑，該催化劑包括氮摻雜多孔碳，以及氮摻雜多孔碳包覆的釕-鈷合金顆粒；

和/或所述氮摻雜多孔碳為片層結構，所述的釕-鈷合金顆粒分散在述氮摻雜多孔碳的片層結構中。

所述的雙功能復合電解水催化劑，所述氮摻雜多孔碳片層結構的片層厚度為5～20nm，所述的釕-鈷合金顆粒的粒徑為5～50nm，獨立的分散在氮摻雜多孔碳中；