[發明專利]一種催化劑及其制備方法以及應用

在審

• 申請號: 202310123504.1
• 申請日: 2023-02-14
• 公開（公告）號: CN116145187A
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 陳孝東;汪建明;宋春雨;張志遠;駱曉明;朱江林;魯國強;劉灑文;黃錦圳;高鑫;崔立峰
• 申請（專利權）人: 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江）
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/04;C25B11/065
• 代理公司: 深圳市世紀恒程知識產權代理事務所 44287
• 代理人: 龔健

本發明公開了一種催化劑及其制備方法以及應用，用于催化電極的析氧反應，所述催化劑包括Ni摻雜的Fe₃N以及聚苯胺碳化衍生的氮慘雜多孔碳載體(NPCs)。本發明提供的催化劑以鎳鹽、鐵鹽和NPCs為原料，成本低廉，且鎳是過渡金屬氮化物，具有高度的抗腐蝕性、導電性和機械強度，具有大比表面積與高分散活性位點，在催化析氧時兼具良好的催化活性和優異的穩定性。通過將鎳和鐵負載在聚苯胺衍生的NPCs上，形成多孔的結構，從而大表面積和高密度活性位點。

技術領域

本發明涉及電化學制氫技術領域，特別涉及一種催化劑及其制備方法以及應用。

背景技術

開發新型的和先進的可再生能源技術是本世紀科學家和研究人員的重要任務。在眾多候選能源中，氫能因其高能量密度(142kJ?kg-1)、零污染排放以及廣泛的應用而被視為最具吸引力和最可靠的理想能源載體。因此，迫切需要探索既經濟又環保的制氫方法。通過廢熱或可再生的風能或太陽能產生的電力將水分解被認為是高效產生氫能的有前途的清潔途徑。目前大多數研究都集中在添加了電解質的凈化淡水的分解上，大規模的淡水電解會給重要的水資源帶來沉重的壓力。與分離凈化水相比，海水電解是一項“一石二鳥”的技術，因為它既可以用于制氫，也可以用于海水淡化。與淡水相比，海水占地球總蓄水量的96.5％，在地理上分布均勻，如果我們可以用海水進行水分解，它將成為生產氫氣的最佳來源。直接電解海水而不是淡水非常重要，特別是對于干旱地區，因為這種技術不僅儲存清潔能源，還能從海水中生產新鮮的飲用水。然而，這項技術需要高活性和高強度的OER催化劑，能夠維持海水分離，而不會發生氯析出反應(堿性條件下形成次氯酸鹽)和氯化物腐蝕。一般來說，水電解主要由兩個半反應組成，包括陰極析氫反應(HER)和陽極析氧反應(OER)。與析氫反應相比，OER反應更加緩慢，因為它具有穩定的O-O雙鍵和多步質子和電子轉移過程，這極大地阻礙了水電解的整體效率。此外，根據吸附質演化機制，氧化物表面上的HOO*和HO*的吸附能之間的普適標度關系表明OER活性的本能限制。這是創造穩定但具有成本效益的電催化劑的先決條件，以提供低過電勢的多個質子和電子轉移的有效耦合。在這方面，開發低成本、高活性和耐用的OER電催化劑對于實現水電解用于實際制氫非常重要。

迄今為止，氧化釕(RuO2)和氧化銥(IrO2)由于其低過電勢和Tafel斜率而被視為OER工藝中的優選電催化劑，但其商業應用受到其高成本和低儲存量的顯著限制。此外，除了催化劑的良好活性之外，海水分解的性能還需要與海水中的氯離子反應的耐腐蝕性；與氯離子反應很容易形成金屬氯化物，腐蝕催化劑和電極/基底，并極大地影響電極的壽命和活性。

發明內容

本發明的主要目的是提出一種催化劑，旨在克服現有技術中存在的催化劑成本高，電極的壽命和活性不佳的問題，提供一種成本較低，催化效果較好的催化劑。

為實現上述目的，本發明提出一種催化劑，所述催化劑包括Ni摻雜的Fe₃N以及NPCs。

可選地，Fe和Ni的摩爾比為1:(0.1～0.3)。

可選地，Fe和Ni的摩爾比為1:0.22。

本發明還提供了一種催化劑的制備方法，所述催化劑包括Ni摻雜的Fe₃N以及NPCs，所述催化劑的制備方法包括以下步驟：

S10、將可溶性鎳鹽溶液和可溶性鐵鹽溶液混合后，得混合液A；

S20、將NPCs與混合液A混合得混合液B，將混合液B加熱蒸干水分，冷卻后真空干燥得催化劑前驅體；

S30、將催化劑前驅體煅燒后冷卻，得催化劑。

可選地，步驟S10中，鐵鹽在混合液A中物質的量濃度為0.05～0.08mol/L；和/或，

步驟S10中，鎳鹽在混合液A中物質的量濃度為0.005～0.027mol/L；和/或，