[發明專利]一種氮摻雜碳包覆非貴雙金屬鈷鉬氧化物析氧反應催化劑、制備方法及應用

有效

• 申請號: 202011431257.4
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112553643B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 徐群杰;張亞男;閔宇霖;范金辰;葉小琴;王曉駿
• 申請（專利權）人: 上海電力大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/091
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 王偉珍

本發明屬于電催化材料技術領域，提供了一種氮摻雜碳包覆非貴雙金屬鈷鉬氧化物析氧反應催化劑、制備方法及應用，將二甲基咪唑和四水合鉬酸銨分散在N,N?二甲基甲酰胺中，再加入六水合硝酸鈷，攪拌后進行溶劑熱反應，經分離得到前驅體；將前驅體放入氧化鋁坩堝中，在惰性氣體氣氛下于200℃?900℃進行煅燒，氮摻雜碳包覆非貴雙金屬鈷鉬氧化物析氧反應催化劑。氮摻雜碳包覆非貴雙金屬鈷鉬氧化物在堿性環境下，其電催化析氧反應活性和電化學穩定性都有著不錯的表現。本發明的催化劑采用溶劑熱?高溫退火法合成，整個其合成步驟簡單，原材料的價格便宜、來源廣泛，可以進行大規模制作，有利于提高電解水制氫效率，有利于推動氫能的廣泛使用。

技術領域

本發明屬于電催化材料技術領域，具體涉及一種氮摻雜碳包覆非貴雙金屬鈷鉬氧化物析氧反應催化劑、制備方法及應用。

背景技術

伴隨著社會生產力的不斷提高，預計在未來幾十年內全球的能源需求也將急劇增長。目前，社會生產消耗的能源以化石能源(例如石油、煤、天然氣)為主，該類能源在過度開采的同時，還帶來了生態環境惡化、溫室效應等一系列問題。嚴重阻礙人類社會的可持續性發展，因此開發清潔的可再生能源就顯得尤為重要迄今為止，科學家們在解決環境和能源問題方面己做了大量且具有突破性的研究工作，例如太陽能、潮汐能和風能等可再生能源已部分取代了化石能源，盡管人類加快了開發可再生能源的腳步，但如今看來，季節、地理位置等因素導致可再生能源分布不均勻且存在間歇性，使其能源消耗占比仍非常小。因此，把這些可再生能源轉化成清潔的化學燃料(例如氫氣)或電能而實現高效的轉化與存儲，將使人類的能源開發利用進入一個良性循環。氫能由于其清潔、無污染、儲存運輸方便以及獲取途徑廣泛等優點被認為是一種理想的能源載體。現在國家對氫能源的開發和利用也越來越重視。電解水制氫為推進可再生能源向清潔氫能轉化提供了可行性策略。電解水包括了兩個半反應:陽極析氧反應和陰極析氫反應。但析氧反應是一個復雜的四電子過程，導致析氧反應過程需要更高的過電位，成為電解水反應的速控步驟。開發優異的電催化劑，可以降低析氧反應的過電位，將在可再生能源領域發揮著至關重要的作用。

目前的研究表明，貴金屬及其氧化物不論在酸性還是堿性條件下均能表現出良好的析氧反應催化性能。研究發現在析氧反應催化過程中，貴金屬的表面因陽極高電位的影響很容易轉化為氧化物薄膜，其中RuO₂和IrO₂常被認為是活性較高的析氧反應催化劑。但是考慮到在實際應用中貴金屬基電催化劑價格昂貴，RuO₂和IrO₂在析氧催化反應中不夠穩定，同時會逐步發生分解。以貴金屬催化劑RuO₂為例，在析氧反應過程中((Ru⁴⁺)O₂會逐漸轉變成水合物Ru₂(OH)₂，特別是在高電勢下又形成不穩定的(Ru⁸⁺)O₄，進而影響催化劑的性能，IrO₂在析氧反應過程中也會發生類似的物相轉變，但在實際應用中IrO₂的穩定性要遠高于RuO₂。研究人員熱衷于探索和開發高效、穩定且價格低廉的非貴金屬電催化劑。因此，非貴金屬析氧反應催化劑的研究一直是大家關注的熱點。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種氮摻雜碳包覆非貴雙金屬鈷鉬氧化物析氧反應催化劑、制備方法及應用，以解決現有商用電解水析氧反應催化劑的催化活性一般、穩定性較差和價格昂貴的問題。

本發明提供了一種氮摻雜碳包覆非貴雙金屬鈷鉬氧化物析氧反應催化劑的制備方法，具有這樣的特征，包括以下步驟：步驟S1，將二甲基咪唑和四水合鉬酸銨分散在N,N-二甲基甲酰胺中，再加入六水合硝酸鈷，攪拌后進行溶劑熱反應，經分離得到前驅體；步驟S2，將前驅體放入氧化鋁坩堝中，在惰性氣體氣氛下于200℃-900℃進行煅燒，得到最終產物，即氮摻雜碳包覆非貴雙金屬鈷鉬氧化物析氧反應催化劑，其中，二甲基咪唑、四水合鉬酸銨、六水合硝酸鈷的摩爾之比為4mmol:0.07mmol:1mmol。