一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂及其制备方法和应用，属于碱性和中性电解池水分解领域。该催化剂先制备过渡金属氢氧化物阵列，然后以上述过渡金属氢氧化物阵列和第二金属盐溶液分别为工作电极和电解液通过电沉积技术制备纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列。本发明专利技术还提供上述制备方法得到的纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂。所制备得到的纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂应用在碱性和中性电解池中，具有优异的电催化析氢性能及全电解水性能。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及碱性和中性电解池水分解领域，具体涉及一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
能源危机和环境污染是21世纪全球面临的两个非常严峻的问题。近年来，随着石油和煤等不可再生化石能源的日渐枯竭，同时伴随着二氧化碳大量产生所引发的“温室效应”日益加剧，世界各国都把研究的重心转向了新能源的研究与开发。Persistence市场研究公司称，随着各国政府对环保的日益重视燃料规格趋于更加严格，受全球范围内汽油和柴油降低硫含量需求驱动，2020年前全球氢气需求将增长27％，从2013年时的2553亿立方米增加至2020年时的3248亿立方米。氢气在炼油、化工、浮法玻璃、金属材料和食品生产等领域的消耗快速增长。清洁空气的需要将推动中国和印度在道路燃料领域实施更加严格的规定，从而令亚太地区成为全球最大的氢气市场。在北美，道路燃料规定或将进一步严格，这将需要生产超低含硫的汽油和柴油。因此，如何实现工业化制备氢气备受广大科研工作者的关注。目前普遍使用天然气裂解重整的方法制备氢气，这样就不可避免地会大量使用化石燃料并且排放温室气体，无法实现真正的“绿色清洁生产”。而利用可再生风能、太阳能等能源制备的氢气受到能源间歇性、不易储存和运输等劣势的限制。而电解水制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段。最近，研究人员对基于地球丰富并廉价的金属硫化物[Science2007,317,100；Nat.Mater.2012,11,963；Nat.Mater.2013,12,850；EnergyEnviron.Sci.2014,7,3519；EnergyEnviron.Sci.2013,6,3553]，氮化物[Angew.Chem.,Int.Ed.2012,51,6131]、硼化物[Angew.Chem.,Int.Ed.2012,51,12703]和磷化物[J.Am.Chem.Soc.2013,135,9267]等析氢催化剂进行了大量研究。然而，开发设计能在较低过电位下以高反应速率析氢的新型催化剂，并进一步提高其长期稳定性而实现大规模分解水制氢显得尤为重要。最近，西安交通大学杨伯伦课题组报道了低含量铂(5％)修饰过渡金属碳化物用于提高其碱性条件下析氢性能的研究[Chem.Commun.2016,52,369716]。大连化物所包信和课题组发表了单原子金属修饰硫化钼能激发其酸性条件下析氢性能的论文，该研究为开发二维材料催化剂开启了一个新领域[EnergyEnviron.Sci.2015,8,1594]。此外，阵列催化剂具有包括良好的导电性和结构稳定性高、高表面积有助于活性物质的高效利用及降低催化剂用量的同时提高电化学性能等优势[J.Am.Chem.Soc.2014,136,10053；Adv.Mater.2015,27,7051]。因此，为提高催化剂催化性能及长期稳定性，开发设计基于纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列电极的高性能析氢催化剂具有巨大的挑战。
技术实现思路
本专利技术为解决现有催化剂催化活性低和稳定性相对差的技术问题，而提供一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂及其制备方法和应用。本专利技术提供一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂的制备方法，该方法包括：步骤一：制备过渡金属氢氧化物阵列；步骤二：以步骤一中所得过渡金属氢氧化物阵列和第二金属盐溶液分别为工作电极和电解液通过电沉积技术制备纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂。优选的是，所述的过渡金属氢氧化物阵列通过水热法、溶剂热法、化学沉积法或电沉积法制备。优选的是，所述的电沉积法是将导电基底和第一金属盐溶液分别作为工作电极和电解液制备得到的。优选的是，所述第一金属盐溶液中的金属盐为铁、钴或镍的硝酸盐、氯化物中的一种。优选的是，所述的导电基底为碳布、镍网、铜网、钛网或钛片。优选的是，所述的电沉积温度为25℃；电沉积时间为2～60分钟。优选的是，所述第二金属盐溶液中的金属盐为氯化钴、硝酸镍、硫酸钴、硫酸亚铁、硫酸镍或氯铂酸。优选的是，所述的步骤二的电沉积温度为25-30℃；电沉积时间为2～60分钟。本专利技术还提供上述制备方法得到的纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂。本专利技术还提供上述纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂在碱性和中性电解池方面的应用。本专利技术的有益效果本专利技术提供一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂及其制备方法和应用，该催化剂是先制备过渡金属氢氧化物阵列；然后将所得过渡金属氢氧化物阵列和第二金属盐溶液分别为工作电极和电解液通过电沉积技术制备纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂。上述制备方法简单、可大规模生产，所制备得到的阵列催化剂应用在碱性和中性电解池中，具有优异的电催化析氢及全电解水性能。附图说明图1为实施例1制备得到的铂修饰氢氧化钴纳米片阵列的扫面电镜照片图；图2为实施例1制备得到的铂修饰氢氧化钴纳米片阵列的透射电镜图；图3为实施例1制备得到的铂修饰氢氧化钴纳米片阵列在碱性条件下的极化曲线图；图4为实施例1制备得到的铂修饰氢氧化钴纳米片阵列在中性条件下的极化曲线图；图5为实施例2制备得到的镍修饰氢氧化镍纳米片阵列的扫描电镜照片图；图6为实施例2制备得到的镍修饰氢氧化镍纳米片阵列在碱性条件下的极化曲线图；图7为实施例2制备得到的镍修饰氢氧化镍纳米片阵列在两电极体系中碱性条件下的极化曲线图。具体实施方式本专利技术提供一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂的制备方法，该方法包括：步骤一：制备过渡金属氢氧化物阵列；步骤二：以步骤一中所得过渡金属氢氧化物阵列和第二金属盐溶液分别为工作电极和电解液通过电沉积技术制备纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂。按照本专利技术，先制备过渡金属氢氧化物阵列，所述的过渡金属氢氧化物阵列的制备方法没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的水热法、溶剂热法、化学沉积法或电沉积法即可，优选为水热法或电沉积法。所述的水热法优选在反应釜中将第一金属盐溶液溶于溶剂充分溶解，然后将导电基底用稀盐酸、乙醇、去离子清洗后斜插入反应釜；密封反应釜后放入鼓风烘箱中在100-180℃下反应8个小时；待自然冷却后用乙醇和去离子水反复冲洗即得到过渡金属氢氧化物阵列。所述的第一金属盐溶液中的金属盐优选为铁、钴或镍的硝酸盐、氯化物中的一种，更优选为硝酸钴、硝酸镍、硫酸亚铁、或硫酸镍；溶剂优选为六次甲基四胺；所述的导电基底优选为碳布、镍网、铜网、钛网或钛片等基底。所述的电沉积方法优选是以导电基底为工作电极、石墨片为对电极、银/氯化银为参比电极的三电极体系中利用CHI660E型电化学工作站进行电沉积，电解液为第一金属盐溶液溶，电沉积温度优选为25℃，沉积时间为2～60分钟，更优选为5～15分钟，将沉积后的样品通过用去离子水和乙醇洗涤后即可得到过渡金属氢氧化物阵列。所述的第一金属盐溶液中的金属盐优选为铁、钴或镍的硝酸盐、氯化物中的一种，更优选为硝酸钴、硫酸亚铁、或硫酸镍；所述的导电基底优选为碳布、镍网、铜网、钛网或钛片等基底。按照本专利技术，将上述所得过渡金属氢氧化物阵列为工作电极、石墨片为对电极、银/氯化银为参比电极的三电极体系中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括：步骤一：制备过渡金属氢氧化物阵列；步骤二：以步骤一中所得过渡金属氢氧化物阵列和第二金属盐溶液分别为工作电极和电解液通过电沉积技术制备纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括：步骤一：制备过渡金属氢氧化物阵列；步骤二：以步骤一中所得过渡金属氢氧化物阵列和第二金属盐溶液分别为工作电极和电解液通过电沉积技术制备纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂。2.根据权利要求1所述的一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂的制备方法，其特征在于，所述的过渡金属氢氧化物阵列通过水热法、溶剂热法、化学沉积法或电沉积法制备。3.根据权利要求2所述的一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂的制备方法，其特征在于，所述的电沉积法是将导电基底和第一金属盐溶液分别作为工作电极和电解液制备得到的。4.根据权利要求3所述的一种纳米金属单质修饰过渡金属氢氧化物阵列催化剂的制备方法，其特征在于，所述第一金属盐溶液中的金属盐为铁、钴或镍的硝酸盐、氯化物中的一种。5.根据权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秀荣，邢志财，孙健，黄建设，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22