[發明專利]一種CuCoMn多級結構電解水催化材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010637053.X
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111841602B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 孫舒慧;杜明亮;朱罕;陸雙龍;祝振鋒
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/06;B01J37/34;B01J37/08;C25B1/04;C25B11/091
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 張勇

本發明公開了一種CuCoMn多級結構電解水催化材料及其制備方法，屬于復合材料制備領域。本發明電解水催化材料的多級結構包括一維碳納米纖維、原位生長的碳納米管和金屬納米微粒，利用多級結構可以大大地提高了催化劑在催化過程中的傳質能力和電子遷移率，有利于電解液的擴散和氣體的脫附，在酸性條件下同時具有十分優異的催化析氫和析氧性能，且析氫速率與商業Pt/C相當，析氧速率遠優于商業Pt/C，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明具體涉及一種CuCoMn多級結構電解水催化材料及其制備方法，屬于復合材料制備領域。

背景技術

近年來，由于人口的持續增長引起了能源的快速消耗，此外化石燃料的使用帶來的環境污染問題日益嚴重，人們迫切地希望開發出更多的環境友好型能源。據研究表明，單位質量的氫氣燃燒產生的能量高達汽油的2.5倍以上，并且水是氫氣燃燒的唯一產物，因此氫氣被證明是理想的能源載體。

電催化水解技術因產物純凈、轉化效率高、設備簡單等而備受關注。室溫下水分解的理論電壓為1.23V，但是催化反應易受到溫度、電解液以及電極材料等的影響，實際所需要的電壓往往高于1.23V，過電壓的存在會造成過多的能耗。高效的催化劑可以降低反應能壘，加速電催化水解過程。目前，Pt和Ir、Ru的氧化物分別是析氫反應和析氧反應最高效的電催化劑，然而，這些貴金屬催化劑不僅價格高昂而且含量稀缺，這大大限制了其商業化應用。此外，為降低整個電解水系統的復雜性和成本，在同一電解液中開發出用于催化析氫反應和析氧反應的高效的雙功能催化劑是有較大的市場需求的。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種基于非貴金屬元素CuCoMn的多級結構電解水催化劑及其制備方法，該方法通過靜電紡絲法制得CuCoMn納米纖維，然后在氮源存在下，通過化學氣相沉積法，得到CuCoMn/NCNTs電解水催化材料。本發明方法成本低廉，簡單易得，所得CuCoMn/NCNTs電解水催化材料在酸性條件下同時具有優異的析氫活性和析氧活性，且穩定性良好。

催化劑的化學組成、形貌等因素都對催化性能的高低有著至關重要的影響。通過調整催化劑的化學組成和設計特殊的納米結構可以提高催化劑的催化活性。一方面，調整電催化劑的化學組成的一種有效方法是將外來原子摻雜到原有材料中，不同原子間的協同作用有利于提高催化劑的催化活性。另一方面，優化電催化劑的納米結構可以增加催化劑的活性比表面積。其中，多級結構可以大大地提高了催化劑在催化過程中的傳質能力和電子遷移率，從而提高其催化活性。

本發明的第一個目的是提供一種制備基于非貴金屬元素CuCoMn的多級結構電解水催化材料的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)將銅鹽、鈷鹽、錳鹽和納米纖維前驅體分散于有機溶劑中，配置得到紡絲液；然后通過靜電紡絲，制得納米纖維膜；

(2)將步驟(1)所得納米纖維膜進行煅燒預氧化，然后加入氮源進行煅燒碳化，即得CuCoMn多級結構電解水催化材料CuCoMn/NCNTs。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的納米纖維前驅體為聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇的一種或多種。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的紡絲液中納米纖維前驅體的質量分數為8～20wt％。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的銅鹽為氯化銅、乙酰丙酮銅的一種或多種。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的鈷鹽為氯化鈷、乙酰丙酮鈷和乙酸鈷的一種或多種。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的錳鹽為乙酸錳和乙酰丙酮錳的一種或多種。

在本發明的一種實施方式中，步驟(1)所述的紡絲液中銅鹽、鈷鹽和錳鹽的質量比為1：(0.5-2)：(0.5-2)。可具體選擇1：1：1、1：2：1、1：1：2、1：0.5：0.5中的一種，優選比例為1:1:1。