[發明專利]一種廢舊植物纖維紡織物為基體的碳化物自支撐電催化電極及其制備方法

有效

• 申請號: 202110188662.6
• 申請日: 2021-02-19
• 公開（公告）號: CN113073351B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 章雷;黃軍同;羅智聰;馮志軍;胡智輝;李喜寶
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: C25B11/056
• 分類號: C25B11/056;C25B11/054;C25B11/075;C25B1/04
• 代理公司: 蘇州達權專利代理事務所(普通合伙) 32737
• 代理人: 陸堅

本發明公開了一種廢舊植物纖維紡織物為基體的碳化物自支撐電催化電極及其制備方法，該電催化電極用于電催化產氫。該電催化電極包括碳基底和過渡金屬碳化物；其中，該過渡金屬碳化物以該碳基底為碳源生長于該碳基底上；該碳基底包括廢舊植物纖維織物。本發明采用廢舊植物纖維織物及過渡金屬粉末合成過渡金屬碳化物，其中，采用的廢舊植物纖維織物有助于對廢棄衣物的回收利用，推動綠色發展，而且，過渡金屬粉末相對于貴金屬而言造價低廉得多。采用廢舊植物纖維織物為碳基底制備而成的碳化物不僅具有較好的電催化性能，而且同時充當了電催化電極，降低了制備成本，且避免了粘接劑的摻入對電催化性能帶來的負面影響。

技術領域

本發明涉及電催化產氫技術領域，特別是涉及一種廢舊植物纖維紡織物為基體的碳化物自支撐催化電極及其制備方法。

背景技術

可再生能源相較化石能源而言具有可再生、燃燒過程不會釋放加劇溫室效應的氣體等優點，能夠促進經濟的可持續發展。氫氣作為可再生能源的一種，其具備能量轉換效率高、易制備、無污染等優點，成為可再生能源中的研究熱點。制備氫氣的手段有很多種，一般包括高溫裂解法、水煤氣法和電解水法。在諸多制備氫氣的方法當中，電解水法相對于其他方法所需的制備溫度要低得多，并且，通過電解水法制備氫氣的過程中也不會釋放出易致使電催化劑中毒的一氧化碳氣體。

目前性能最好的電催化劑為鉑基電催化劑，然而，鉑這一貴金屬元素的使用提高了電催化劑的制備成本，從而限制了電解水法析氫的進一步推廣。與之相對的，過渡金屬碳化物被證明具有與鉑基電催化劑相類似的性質，其造價卻要低廉得多，因此，其在電催化析氫方面的研究也逐漸成為熱點。在過渡金屬碳化物中，碳化鉬與碳化鎢被發現具有與鉑相類似的d軌道電子結構，而d軌道電子結構是影響電催化劑電催化析氫性能的重要因素，因此碳化鉬和碳化鎢成為最有可能替代鉑及其合金的電催化析氫催化劑。

盡管如此，碳化鉬和碳化鎢等過渡金屬碳化物的電催化析氫性能與商業化的鉑碳催化劑相比，還是存在較大差距。目前，主要存在三種方式提高碳化鉬和碳化鎢等過渡金屬碳化物的電催化活性，包括將其制作成納米結構，或者是通過摻雜異類原子創造孔洞結構，或者是將其與石墨烯、碳納米管等納米碳耦合。具體地，在傳統的制備碳化鉬和碳化鎢等過渡金屬碳化物的方法中，可以以C₃N₄為碳源，將C₃N₄浸入氯化鉬與乙醇的混合溶液中，并在1573K的溫度下焙燒得到碳化鉬。然而，這一方法是通過以C₃N₄為模版制備碳化鉬，該模版上的一部分將轉變為碳化鉬，但模版的剩余部分將無法回收，污染環境，并且該方法工序復雜，不易操作。在另一種傳統碳化物制備方法中，可以以碳納米管為碳源，將碳納米管置入四水合鉬酸銨與葡萄糖的混合溶液中，先焙燒得到氧化鉬/多糖的前驅體，再將該前驅體于800℃下進一步煅燒得到碳化鉬。然而，該方法使用的碳納米管造價較高，且制備得到的電催化劑為粉末狀，不易收集，需要經過進一步加工以得到可用的電催化工作電極。

另一方面，我國每年產生的廢棄衣物高達2600萬噸，然而在利用率卻不到1%，絕大部分廢棄衣物都被就地填埋或焚燒處理，這一過程中將產生致癌物質，對土壤、水質和空氣都會帶來極大污染，因此提高廢棄衣物的利用率也是亟待解決的問題之一。廢舊纖維紡織品包含天然纖維（包括植物纖維、動物纖維）和化學纖維（包括合成纖維的錦綸、滌綸、腈綸、氨綸、維綸、丙綸、氯綸等）兩大類。其中植物纖維織物可以包括以植物纖維為主要成分的各類衣物，比如棉質T恤、棉質襯衫、棉質休閑褲等棉類衣物；或者是麻質T恤、麻質襯衫、麻質休閑褲等麻類衣物；也可以是棉麻混紡類衣物。植物纖維織物的成分也可以不為純棉、麻類衣物，也可以摻有動物毛類成分或者是化學纖維。植物纖維織物由碳氫氧三種元素組成，主要成分為(C₆H₁₀O₅)n，含碳量較高，如棉紡織品的含碳量高達44.44%以上。利用將廢舊植物纖維紡織品制備碳材料，不但可以回收利用廢舊物質，提升其利用價值，同時為含碳化合物材料的制備提供了碳源。

發明內容