[發(fā)明專利]一種金屬摻雜過渡金屬磷化物鑲嵌的多孔碳納米纖維電催化劑的制備方法

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• 申請日: 2021-11-05
• 公開（公告）號: CN114032580A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發(fā)明（設計）人: 劉志承;陳祥彬;于波
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/031;C25B1/04;C25B1/55
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本發(fā)明提供了一種金屬摻雜過渡金屬磷化物鑲嵌的多孔碳納米纖維電催化劑的制備方法，包括如下步驟：首先通過靜電紡絲法制備過渡金屬復合納米纖維；然后過渡金屬復合納米纖維經過高溫碳化后得到過渡金屬氧化物鑲嵌的多孔碳納米纖維；最后以次磷酸鈉為磷源并低溫退火將過渡金屬氧化物轉化為金屬摻雜的過渡金屬磷化物。結果表明，該金屬摻雜過渡金屬磷化物鑲嵌的多孔碳納米纖維電催化劑具有良好的電催化析氫活性和穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的析氫電催化劑的制備方法簡單、工藝流程少、成本低、具有很好的應用前景。

技術領域

本發(fā)明屬于能源化學領域，具體包括一種金屬摻雜過渡金屬磷化物鑲嵌的多孔碳納米纖維電催化劑的制備方法。

背景技術

隨著經濟社會的快速發(fā)展，人們對生活質量的追求更加強烈。一方面，人們希望擁有一個健康綠色的生活環(huán)境；另一方面，人們對能源的需求量越來越大。當前用于經濟社會發(fā)展的能源主要來自化石能源，如石油、煤炭、天然氣等，然而這些化石能源會造成嚴重的環(huán)境污染，并且化石能源屬于不可再生能源，無法長遠地滿足人們對能源的需求。因此，需要污染較小的清潔能源在不破壞環(huán)境的前提下，提供足量的能源用于經濟社會持續(xù)發(fā)展。其中，氫能由于其高能量密度、無污染、可再生的特點，是理想的化石能源的替代品。

制氫方式主要有化學制氫、生物制氫、光催化水分解制氫和電解水制氫。其中，化學制氫仍無法改變其化石能源的本質，而生物制氫和光催化水解制氫的效率低下。電解水制氫具有設備簡單、易于大規(guī)模生產、所制備氫氣純度高以及其原料來源廣泛的特點；另外，多種的清潔能源，如風能，潮汐能等能夠轉化為便于傳輸?shù)碾娏Γ瑥亩行崿F(xiàn)能源轉化。因此，電解水成為了大規(guī)模制氫的首要選擇。

由于電解水制氫需要克服較高的電化學勢壘，因此需要通過電催化劑來降低電解水制氫過程中的過電勢，從而提高制氫過程中的能量轉化效率。當前鉑族貴金屬具有最佳的電催化活性，但由于其儲量低、價格高的特點，限制了鉑族貴金屬催化劑在電解水制氫領域的應用。因此，開發(fā)高儲量、低價且高催化活性的析氫催化劑則成為發(fā)展電解水制氫的重中之重。

發(fā)明內容

為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種金屬摻雜過渡金屬磷化物鑲嵌的多孔碳納米纖維電催化劑的制備方法，獲得制備方法簡單、成本低廉且性能優(yōu)異的電催化劑。

本發(fā)明提供的一種用于電催化水分解制氫的金屬摻雜過渡金屬磷化物鑲嵌的多孔碳納米纖維的制備方法，具體包括以下步驟：

(1) 將一定量的聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、四水合乙酸鈷和乙酰丙酮鐵溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，制備靜電紡絲前驅體溶液；

(2) 對步驟(1)所述前驅體溶液前驅體溶液吸入針管中，在一定參數(shù)下進行靜電紡絲，制備過渡金屬復合納米纖維；

(3) 將步驟(2)所述復合納米纖維在空氣中以一定溫度進行預氧化處理，制備預氧化后的復合納米纖維；

(4) 將步驟(3)所述預氧化后的復合納米纖維在氮氣氣氛下進行高溫碳化處理，制備過渡金屬氧化物鑲嵌的多孔碳納米纖維；

(5) 將步驟(4)所述過渡金屬氧化物鑲嵌的碳納米纖維與次磷酸鈉晶體分別放入管式爐的下游和上游進行低溫磷化處理，制備金屬摻雜過渡金屬磷化物鑲嵌的多孔碳納米纖維。

優(yōu)選地，步驟(1)所述聚丙烯腈的用量為0.5-1 g。

優(yōu)選地，步驟(1)所述聚乙烯吡咯烷酮的用量為0.5-1 g。

優(yōu)選地，步驟(1)所述四合乙酸鈷的用量為1-5 mmol。

優(yōu)選地，步驟(1)所述乙酰丙酮鐵的用量為1-5 mmol。

優(yōu)選地，步驟(1)所述N,N-二甲基甲酰胺的用量為10 mL。

優(yōu)選地， 步驟(2)所述靜電紡絲參數(shù)為：針頭到收集器的距離為15 cm；針頭與收集器之間的電壓為15 KV；前驅體溶液的推進速率為1.5 mL h^-1。