[發明專利]一種多孔碳負載的TiN-Pt水分解制氫電催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 202110273780.7
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113061921B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 羅景山;趙佳
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: C25B11/031
• 分類號: C25B11/031;C25B11/065;C25B11/091;C25B1/04;C25B11/054;B82Y30/00;B82Y40/00
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本發明公開了一種多孔碳負載的TiN?Pt高效電催化水分解制氫催化劑及其制備方法。該方法包括：以金屬有機框架材料(MOFs)為前驅體,通過高溫煅燒得到多孔碳負載的TiN載體，再通過陽離子表面活性劑的吸附作用將陰離子型Pt鹽吸附到TiN表面，進一步焙燒后得到目標催化劑。該方法原料廉價易得，并可大規模制備，TiN與Pt之間的相互作用修飾了Pt的電子結構，最終該催化劑展現出高效的電催化水分解制氫性能。在Pt含量僅為1.23％的情況下，電流密度10mA cm^?2時所需過電位僅為35mV，遠優于20％的商業化Pt電催化劑。

技術領域

本發明屬于納米技術領域和電催化領域，具體涉及一種多孔碳負載的TiN-Pt催化劑的制備方法及其在電催化產氫領域的應用。

背景技術

近年來，全球能源需求不斷增長，導致化石燃料日漸枯竭、地球環境不斷惡化，促使人們迫切地開發風能、地熱能和太陽能等綠色可再生能源。然而，這些可持續能源的供應通常是間歇性的，對地域、季節和天氣狀況的依賴性較大，供需之間存在時間和空間上的差距。因此，為了實現可再生能源的利用，亟需發展能源轉換和存儲技術，例如能夠將太陽和風能產生的電能轉換為氫燃料的水分解及可充電金屬空氣電池等技術，它們具有能量密度高，低成本，環境友好及安全性高等特點，且可逆燃料電池(RFC)也可以通過電化學過程生產氫燃料。然而由于受到電化學反應條件的控制，析氫反應(HER)和析氧反應(OER)緩慢的動力學嚴重阻礙了能量轉換和存儲系統的發展。

為了解決以上問題，我們必須選擇合適的催化劑來提高能量轉換效率。目前，貴金屬催化劑仍然是HER和OER的最有效催化劑，其中Pt是性能最優異的HER催化劑，但價格昂貴、儲量稀少、分布不均、催化過程中不穩定等缺點極大的限制了Pt基催化劑的廣泛應用。因此，降低Pt的用量的以及選擇合適的負載基底提高其穩定性是提高Pt基催化劑催化性能的重要方向，是發展經濟高效的水電解體系的主要組成部分。迄今為止，文獻中已報道了多種儲量豐富且具有顯著催化活性的HER催化劑，包括過渡金屬二鹵化物(TMD)，過渡金屬磷化物(TMP)，過渡金屬碳化物和氮化物等。其中，過渡金屬氮化物憑借其獨特的電子結構，較高的導電性以及優異的化學穩定性和機械強度引起了人們的廣泛關注。

在眾多過渡金屬中，金屬鈦是地球上最豐富的元素之一，其氮化物具有硬度高，導熱性高和穩定性好等顯著特性。由于TiN的性質類似于貴金屬，因此已廣泛用于電催化(電催化水分解)，電化學儲能(各種電池，超級電容器)和能量轉換(燃料電池和太陽能電池)等領域，在酸性，堿性和氧化環境等條件下具有很高的催化活性和穩定性。此外，我們可以容易地控制TiN的形貌和結構。因此，綜上所述，TiN是一種很好的基底材料，其與貴金屬之間的協同作用也有利于催化性能的提高。

發明內容 本發明旨在在降低貴金屬Pt用量的基礎上提高催化劑的催化性能，設計了一種高效的多孔碳負載的TiN負載Pt納米粒子催化劑，使用極低的貴金屬量便可實現高效的催化性能。

本發明的目的至少通過如下技術方案之一實現：

本發明提供的多孔碳負載的TiN-Pt高效電催化水分解產氫催化劑的制備方法包括以下步驟：

(1)多孔碳負載的TiN前驅體的制備：NH₂-MIL-125的合成：將鈦酸正四丁酯滴入到2-氨基對苯二甲酸的澄清溶液里，攪拌后轉移到高溫反應釜，置于烘箱中加熱反應，得到NH₂-MIL-125黃色粉末。將NH₂-MIL-125在惰性氣氛下高溫焙燒即可多孔碳負載的TiN前驅體。

(2)將可溶性Pt鹽加入到含有陽離子表面活性劑的TiN分散液中攪拌后離心、洗滌、干燥，隨后在惰性氣氛下高溫煅燒便得到多孔碳負載的TiN-Pt電催化劑。

進一步地，步驟(1)所述NH₂-MIL-125為微米顆粒，粒徑為1-10μm。