[發(fā)明專(zhuān)利]一種高性能析氫電極及其制備與應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811469991.2
• 申請(qǐng)日: 2018-11-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111235602B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田志堅(jiān);鄭安達(dá);王冬娥
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): C25B11/052
• 分類(lèi)號(hào): C25B11/052;C25B11/091;C25B1/04
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明公開(kāi)了一種高性能析氫電極及其制備與應(yīng)用。該電極由氮摻雜碳復(fù)合二硫化鉬材料構(gòu)成活性材料，其制備方法由可溶性含氮有機(jī)物、可溶性含鉬化合物和硫脲經(jīng)過(guò)水熱和熱處理制得的氮摻雜碳復(fù)合二硫化鉬材料與溶劑、粘結(jié)劑配成漿料覆蓋在導(dǎo)電基底上干燥得到。該電極應(yīng)用于電解水制氫的析氫反應(yīng)電極或鎂?水電池陰極。本發(fā)明制備工藝易于實(shí)現(xiàn)，且制得的電極析氫反應(yīng)性能高，具有較好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電解制氫技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高性能析氫電極及其制備與應(yīng)用。

背景技術(shù)

煤、石油、天然氣為代表的化石燃料滿(mǎn)足了當(dāng)前世界大部分的能源需求，然而化石能源的不可再生性與全世界不斷增長(zhǎng)的能源需求形成了矛盾；而且由于化石燃料普遍含有硫、氮等雜質(zhì)元素，其燃燒會(huì)產(chǎn)生氣態(tài)污染物和粉塵等污染，并且產(chǎn)生溫室效應(yīng)引起氣候變化。開(kāi)發(fā)利用新的清潔能源已經(jīng)迫在眉睫。

氫能源被認(rèn)為是能夠解決當(dāng)前能源危機(jī)與氣候變化等環(huán)境問(wèn)題，替代不可再生的化石能源的清潔能源之一。一般認(rèn)為氫能源清潔可再生、來(lái)源與應(yīng)用廣泛、高效，是化石能源理想的替代者。然而目前大量的氫氣由化石燃料制得，并不能從根本上解決能源危機(jī)。電解水制氫操作簡(jiǎn)單、可持續(xù)性強(qiáng)、電解過(guò)程中無(wú)排放、制得的氫氣純度高，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前電解水制氫受制于過(guò)電位過(guò)高的原因，造成能耗高、能量轉(zhuǎn)化效率低的問(wèn)題。因此開(kāi)發(fā)高活性的析氫電極，降低過(guò)電位從而減少能耗，提高能量轉(zhuǎn)化效率成為電解水制氫技術(shù)亟待突破的關(guān)鍵點(diǎn)。

傳統(tǒng)的的過(guò)電位較低的析氫電極材料主要為Pt,Ru,Pd等貴金屬，但其價(jià)格較貴，且開(kāi)采提煉過(guò)程中造成的污染較嚴(yán)重，限制了其推廣。因此有必要尋找替代Pt等等貴金屬的廉價(jià)高效的的析氫電極材料。

二硫化鉬的化學(xué)式為MoS₂,其具有與Pt等貴金屬相近的與氫原子的結(jié)合能，具有一定的電化學(xué)析氫活性，其活性位主要有邊緣位和硫空位。天然二硫化鉬作為一種礦物分布較廣，相對(duì)較廉價(jià)。二硫化鉬晶體為層狀結(jié)構(gòu)的堆疊。純相二硫化鉬晶體中較厚的堆疊層數(shù)限制了實(shí)際參與反應(yīng)的活性位的數(shù)目。其作為半導(dǎo)體，導(dǎo)電性也較差。因此，提高二硫化鉬的分散性，使其暴露更多的活性位，增強(qiáng)其導(dǎo)電性，均有利于提高其電化學(xué)析氫活性。氮摻雜碳作為一種碳材料，導(dǎo)電性好，表面含氮位點(diǎn)可供二硫化鉬結(jié)合并分散，因此，將氮摻雜碳與二硫化鉬材料復(fù)合以制備析氫電極有利于提高其性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)以上所述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高性能析氫電極及其制備與應(yīng)用，該電極不僅具有良好的分散性與高催化性能，并且具有良好的導(dǎo)電性。這是由于該電極經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的方法制備具有了如下特性：

二硫化鉬在氮摻雜碳的前驅(qū)體上異相成核，并生長(zhǎng)成為分散度較高的二硫化鉬小晶粒；

氮摻雜碳與二硫化鉬相似的微觀結(jié)構(gòu)與層間作用力能夠穩(wěn)定高分散的二硫化鉬結(jié)構(gòu)，使其活性提高；

氮摻雜碳作為一種碳材料，與二硫化鉬復(fù)合能夠提高后者的導(dǎo)電性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高性能析氫電極的制備方法。該方法按以下步驟進(jìn)行：

(1)將可溶性含氮有機(jī)物、可溶性含鉬化合物和硫脲溶于水得到溶液；溶液中可溶性含氮有機(jī)物與可溶性含鉬化合物的質(zhì)量比為0.2-20:1,硫脲與可溶性含鉬化合物的質(zhì)量比為0.5-60:1；

(2)溶液在密閉容器中，在160-240℃恒溫、自生壓力下進(jìn)行水熱反應(yīng)3-72h,分離得到的固體在400-900℃的惰性氣氛和/或還原性氣氛中恒溫焙燒0.5-4h，得到氮摻雜碳復(fù)合二硫化鉬材料；

(3)將氮摻雜碳復(fù)合二硫化鉬材料與溶劑、粘結(jié)劑混合通過(guò)包括但不限于攪拌、超聲、高剪切乳化等方式分散均勻得到漿料，通過(guò)包括但不限于滴涂、旋涂、刮涂、刷涂、流延、擠出、噴涂等方式均勻覆蓋在導(dǎo)電基底上并干燥，即得到高性能析氫電極。