[發明專利]基于腐蝕策略制備高效析氫電催化劑的方法

在審

• 申請號: 202210142853.3
• 申請日: 2022-02-16
• 公開（公告）號: CN114622218A
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 高書燕;李曉灃;劉旭坡;張翠翠;楊天芳;王冉
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/046;C25B11/042
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發明公開了一種基于腐蝕策略制備高效析氫電催化劑的制備方法，具體步驟為：用去離子水洗滌泡沫金屬，再分別用無水乙醇和稀鹽酸超聲清洗得到物料A，其中泡沫金屬為泡沫合金或泡沫鐵；將硫酸鋅和氯化釕加入到去離子水中，再將物料A置于溶液中，于室溫攪拌后用去離子水和乙醇洗滌得到物料B；將物料B轉移至燒杯中并加入堿性溶液浸泡得到物料C；將物料C用去離子水和無水乙醇洗滌，再置于80℃鼓風干燥箱中干燥，最終得到目標產物高效析氫電催化劑。本發明制備的高效析氫電催化劑在1mol L^?1 KOH溶液中，僅需90~120mV過電位即能達到100mA cm^?2電流密度，具有優異的電催化析氫性能。

技術領域

本發明屬于電解水析氫催化劑的制備技術領域，具體涉及一種基于腐蝕策略制備高效析氫電催化劑的方法。

背景技術

隨著全球能源需求增長，傳統化石燃料在帶動經濟飛速發展的同時，也帶來了嚴重的能源短缺和環境污染等問題。電解水制氫被認為是一項綠色、清潔、具有巨大應用前景的技術，能夠有效緩解當前的能源危機和環境污染問題。但是水分解的析氫反應(HER)，其自身存在較高的反應勢壘，在熱力學上是不易發生的。使用高效HER電催化劑來改善遲緩的反應動力學和降低過電勢，可以有效解決上述問題。目前常用的貴金屬電解水催化劑存在資源儲量低和成本高的問題。因此，如何在提高材料催化活性的同時減少貴金屬的使用成為電解水制氫領域的重要挑戰。

電解水制氫常用的是粉末催化劑，但粉末催化劑在制備析氫電極過程中需要使用粘合劑(如Nafion溶液)，粘合劑的使用會導致一些活性中心被掩蓋以及電荷轉移阻力增大，進而使得催化劑的催化性能下降。與粉末催化劑相比，自支撐型電催化劑因其優異的電導率、良好的多孔結構和高比表面積而受到廣泛關注。通常制備自支撐催化劑的方法有水熱法、等離子體法、電沉積法和高溫煅燒法等，但這些方法反應過程復雜、不環保且生產成本高，不利于調節催化劑的結構和性能。采用金屬腐蝕的策略可以很好解決上述問題，該方法通過室溫下金屬的自發腐蝕過程來獲得高效的催化劑。與泡沫鎳和泡沫鐵相比，泡沫合金(例如NiFe、CoNi和NiAl)由于不同金屬位點的協同作用，電催化活性往往更高。因此，采用金屬腐蝕策略，以NiFe合金泡沫作為基底，有望制備出高活性、高穩定性的析氫電催化劑。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種工藝簡單且成本低廉的基于腐蝕策略制備高效析氫電催化劑的方法，該方法在室溫下利用金屬的自發腐蝕過程，將NiFe合金泡沫浸泡在RuCl₃/ZnSO₄溶液中，在NiFe合金基底上原位生長腐蝕層，其中Zn²⁺可以促進腐蝕層的均勻生長，然后使用KOH或NaOH堿性溶液進行堿刻蝕除去鋅物種，產生缺陷結構，最終制備出具有豐富活性位點的高效析氫反應電催化劑。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，基于腐蝕策略制備高效析氫電催化劑的制備方法，其特征在于具體步驟為：

步驟S1：首先用去離子水洗滌泡沫金屬，再分別用無水乙醇和稀鹽酸超聲清洗以去除泡沫金屬表面有機分子和氧化物，得到物料A，其中泡沫金屬為泡沫合金或泡沫鐵；

步驟S2：將硫酸鋅和氯化釕加入到去離子水中，采用磁力攪拌器充分攪拌得到混合溶液，再將步驟S1得到的物料A放置于上述混合溶液中，于室溫攪拌，攪拌結束后用去離子水和乙醇洗滌，得到物料B；

步驟S3：將步驟S2得到的物料B轉移至燒杯中并加入堿性溶液浸泡得到物料C；

步驟S4：將步驟S3得到的物料C用去離子水和無水乙醇洗滌，再置于80℃鼓風干燥箱中干燥，最終得到目標產物高效析氫電催化劑。

進一步優選，步驟S1中所述泡沫合金為鎳鐵合金，尺寸為1～9cm²。

進一步優選，步驟S2中所述混合溶液中硫酸鋅和氯化釕的摩爾濃度分別為0～100mM和2mM，所述磁力攪拌器的轉速為100～300rpm。