[發明專利]一種單原子鉑-氮雜石墨箔自支撐析氫電極的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202010087413.3
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111270264B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 徐勁松;李瑞;閆霞艷;曾榮光
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院材料研究所
• 主分類號: C25B11/065
• 分類號: C25B11/065;C25B11/091;C25B1/04;C23C14/48;C23C14/06;B22F9/24;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 成都眾恒智合專利代理事務所(普通合伙) 51239
• 代理人: 王育信

本發明公開一種單原子鉑?氮雜石墨箔自支撐析氫電極的制備方法及其應用，解決現有技術中存在的單原子鉑催化劑由于通常為粉體，需要使用粘結劑負載在工作電極上，從而在大電流密度下難以保持高活性和穩定性的問題。本發明包括：(S1)將石墨箔進行超聲清洗并干燥；(S2)使用氮氣等離子體轟擊干燥后的石墨箔，獲得氮摻雜石墨箔；(S3)使用光還原方法將單原子鉑負載在氮雜石墨箔上，得到單原子鉑?氮雜石墨箔自支撐析氫電極。本發明以簡便環保的方式獲得了鉑單原子?氮雜石墨箔自支撐析氫電極，一步實現了基底表面形貌和摻雜元素的調控，獲得了自支撐的適于高電流密度的析氫電極，為電解水獲取氫能的研究提供了良好的前置基礎，因此適于推廣應用。

技術領域

本發明屬于納米復合材料技術領域，具體涉及一種單原子鉑-氮雜石墨箔自支撐析氫電極的制備方法及其應用。

背景技術

電解水制備氫氣是獲取清潔的氫能的有效途徑，而析氫反應作為電解水過程的半反應，催化促進其動力學過程具有重要意義。比較已經開發出貴金屬基催化劑、過渡金屬化合物催化劑、非金屬催化劑可知，鉑基催化劑的催化活性和穩定性仍遠高于其他各種類析氫反應催化劑。然而，由于貴金屬鉑儲量低、價格高，其大規模實際應用受到嚴重制約。在不顯著降低其催化活性的前提下，降低析氫反應催化劑中金屬鉑的負載量具有重要意義。目前已發展出降低鉑粒子尺寸、制備核殼結構、制備合金等策略來降低鉑用量。

相比上述策略而言，制備單原子鉑催化劑不僅可進一步大幅度降低鉑的負載量，而且可實現優于基于鉑納米粒子的催化劑的催化活性和穩定性，具有重要的應用前景。目前已經發展出原子層沉積法、熱解法、光還原法、化學還原法等方法制備鉑單原子催化劑。然而，目前制備的單原子鉑催化劑通常為粉體材料，當應用于電催化反應時，需要先混合化學粘結劑再負載在工作電極上使用。這種結構不僅會降低電極的電化學活性面積，從而降低催化劑比活性，而且還難以促進電解液的輸運以及消除析氫反應中氣泡釋放對電極表面結構的影響，在高電流密度下會顯著降低電極活性及穩定性。并且粘結劑的使用還會進一步覆蓋部分活性位點，減緩電荷和物質的輸運。

發明內容

本發明的目的在于提供一種單原子鉑-氮雜石墨箔自支撐析氫電極的制備方法及其應用，主要解決現有技術中存在的單原子鉑催化劑由于通常為粉體，需要使用粘結劑負載在工作電極上，從而在大電流密度下難以保持高活性和穩定性的問題。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種單原子鉑-氮雜石墨箔自支撐析氫電極的制備方法，包括以下步驟：

(S1)將石墨箔進行超聲清洗并干燥；

(S2)使用氮氣等離子體轟擊干燥后的石墨箔，獲得氮摻雜石墨箔；

(S3)使用光還原方法將單原子鉑負載在氮雜石墨箔上，得到單原子鉑-單雜石墨箔自支撐析氫電極。

具體地，所述步驟(S1)的具體過程為：將石墨箔依次置于乙醇、丙酮、水中超聲清洗。

具體地，所述步驟(S2)的具體過程為：將干燥后的石墨箔置于基于考夫曼離子源的束線離子注入設備中，在氮氣氣氛中進行處理，即得到單摻雜石墨箔，其中：等離子體電壓為10-60kV，處理時間為10-60min。

具體地，所述步驟(S3)的具體過程為：將氯鉑酸的以純溶液滴涂在氮雜石墨箔表面，自然晾干后置于汞燈下照射15-60min，汞燈功率為200W，去離子水潤洗后，即得到單原子鉑-氮雜石墨箔自支撐析氫電極。

優選地，所述氯鉑酸溶液濃度為0.1-5mmol/L，滴涂體積為5-50μL/cm²。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：