[發明專利]一種三維微米管狀析氫反應電催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 202110033303.3
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112779550B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 宋樹芹;張曉峰;王毅
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/091;H01M4/90
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳娟

本發明涉及一種三維微米管狀析氫反應電催化劑及其制備方法。該制備方法包括配置金屬粒子前驅體反應溶液，溶劑熱反應，煅燒等步驟；本發明提供的制備方法利用快速升降溫技術在納米粒子中引入了大量有益于活性提升的缺陷，并且保持了納米粒子超細的尺寸；另外，纖維狀碳源材料的選用并配合特定的水熱反應及煅燒反應，形成的交聯的超薄碳片不僅提供了利于氣體和電解質傳輸的導電網絡，也對納米粒子起到了限域的作用；該制備方法得到的三維微米管狀析氫反應電催化劑具有較佳的析氫活性和穩定性，可推廣應用于水電解器和燃料電池等領域。

技術領域

本發明屬于析氫電催化技術領域，具體涉及一種三維微米管狀析氫反應電催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著現代社會的高速發展，能源的消耗也與日俱增，而化石燃料不可持續性更是加劇了能源危機，另外化石燃料的燃燒不可避免會帶來嚴重的環境污染問題。因此，發展清潔高效的新能源勢在必行。然而我國目前的新能源主要分布于經濟較為落后和人口較為稀少的西部和西北部，因此需要復雜的長途電網才能將新能源產生的電能輸送到經濟繁榮用電需求大的東部和東南部，這樣必然導致大量的電能浪費在輸送途中。將過剩的光能和電能轉化為化學能為解決上述問題提供了一種非常有效的方法。在各種化學能中，氫能是最為高效清潔的能源載體。到目前為止，在各種制氫方法中，電解水制氫由于零碳排放和高能效被認為是最有前景和可持續的方法之一。然而，析氫反應緩慢的電子轉移動力學嚴重阻礙了電解水的效率，因此需要發展高活性高穩定性和低成本的析氫電催化劑。

在各種過渡金屬中，鎳和鈷由于擁有接近鉑的氫原子結合能成為析氫電催化劑比較優異的候選者。然而，目前的常規制備方法往往難以制備尺寸較為均一的超細納米粒子，而且納米粒子在析氫反應過程中難免會因為相變發生團聚現象。另外，選擇合適的基體材料支撐納米粒子的均勻分布也至關重要。專利CN108940288B公開了一種鎳包覆碳納米管高效析氫電催化劑的制備方法，該催化劑將鎳單質封裝在碳納米管的空腔中，展現了良好電催化活性(在10mA cm^-2電流密度下的過電位為304mV)，但其電催化活性提升程度仍不夠，且未對其穩定性進行研究，仍具有一定的缺陷。

因此，開發具有較好催化活性的析氫電催化劑具有重要的研究意義和應用價值。

發明內容

本發明的目的在于克服現有過渡金屬析氫電催化劑中難以制備尺寸較為均一的超細納米粒子，且納米粒子在析氫反應過程中會因為相變發生團聚現象進而影響其催化活性及催化穩定性的缺陷或不足，提供一種三維微米管狀析氫反應電催化劑。本發明提供的制備方法利用快速升降溫技術在納米粒子中引入了大量有益于活性提升的缺陷，并且保持了納米粒子超細的尺寸；另外，纖維狀碳源材料的選用并配合特定的水熱反應及煅燒反應，形成的交聯的超薄碳片不僅提供了利于氣體和電解質傳輸的導電網絡，也對納米粒子起到了限域的作用；該制備方法得到的三維微米管狀析氫反應電催化劑具有較佳的析氫活性和穩定性，可推廣應用于水電解器和燃料電池等領域。

本發明的另一目的在于提供一種三維微米管狀析氫反應電催化劑。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種三維微米管狀析氫反應電催化劑的制備方法，包括如下步驟：

S1：將鎳源或鈷源、pH緩沖劑混合溶解，得金屬粒子前驅體反應溶液；

S2：將纖維狀碳源材料浸潤在金屬粒子前驅體反應溶液中反應，反應溫度為80～120℃，時間為2～12h；

S3：將S2的反應產物直接置于惰性氣氛，700～1000℃下煅燒1～60min后，置于室溫冷卻，即得所述三維微米管狀析氫反應電催化劑。