一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法，属于电催化裂解水技术领域，包括以下步骤：(1)镉基MOF的制备：利用有机配体与镉金属离子间的金属‑配体配位作用，自组装形成的超分子网络结构；(2)导电聚合物溶液的配制：采用PANI‑DBSA、聚丙烯腈与油性ATO溶液进行共混得到导电聚合物溶液；(3)溶吹包被镉基MOF：将导电聚合物溶液挤压溶吹成纺丝后与纳米镉基MOF粉末进行充分混合；(4)海绵体催化剂的制备：加热除去填充在三维催化剂初体的多余溶剂；总之，本发明专利技术制备的海绵体催化剂具有活性电位多、导电性能优良、催化效率高、储氢效果好的优点。

Preparation method of multifunctional sponge water catalyst for electrolysis of water

The invention discloses a preparation method of multi-functional electrolysis water used marine catalyst, which belongs to the field of electrocatalytic cracking water technology, including the following steps: (1) preparation of cadmium based MOF: a supermolecular network structure formed by self assembly by using organic ligands and metal ions between cadmium metal ions; (2) conductive polymer Preparation of solution: blending with PANI DBSA, polyacrylonitrile and oily ATO solution to get conductive polymer solution; (3) the solution blows were coated with cadmium based MOF: the conductive polymer solution was extruded and dissolved into the nanoscale MOF powder to be fully mixed; (4) preparation of the cavernous catalyst: heating removal of the filling in the three-dimensional catalyst In conclusion, the cavernous catalyst prepared by the invention has many advantages of active potential, excellent conductivity, high catalytic efficiency and good hydrogen storage effect.

【技术实现步骤摘要】
一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法
本专利技术属于电催化裂解水
，具体涉及一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法。
技术介绍
随着经济的快速发展和科技的不断进步，能源和环境在社会发展中具有非常重要的作用。在过去50年中，大量研究者致力于研究、开发高效、经济、可再生可持续的能源。为实现可持续发展目标，寻找和开发绿色能源和高效能源设备迫在眉睫。值得注意的是，氢能被认为是最为清洁的、高效的能源，获得氢能可以通过自然空气的分离、化石能源的裂解分离或部分氧化、光催化分解、生物质发酵转化、电解水；其中，电催化水解制氢和制氧引起了全球科学家们的广泛关注，而且电解水被认为是最具前景的生产氢能的方法之一。电解水是应用电能把液态水分解为氧气(O2)和氢气(H2)的现象。由于电解水的半反应(析氧半反应)需要较大的过电位才能发生，大大增加了制氢的能耗，因此，开发高效催化析氧反应的催化剂对于制氢技术的提高十分必要，同时在氢能源、氯碱工业和太阳能的使用方面都非常有意义。氢的高效、安全储存和运输也是氢能源利用的主要瓶颈之一。现存储氢方法大致分为5种，即液态储氢、高压储氢、有机化合物储氢、金属化合物储氢和吸附储氢，存在明显的缺陷：需要有一个庞大的氢气基础设施，成本高、经济性差等问题，离实现商业化应用还有很大的距离。而且氢气大规模制备、输送及加注等配套基础，建设成本大、周期长。现有制氢工艺与储氢技术多为高排放、低能效的过程，原子经济性差，不具有可持续性，并且随着能源领域对氢气需求的加剧，来源的可持续性与储运的高效、灵活性等问题逐日显现，成为阻碍氢能体系构筑与完善的关键因素。专利
技术实现思路
针对现有技术中制备的电解水催化剂导电性能低、比表面积小、活性电位少、不能兼具储氢的功能，以及因抗疲劳性差而导致的重复利用率低的技术问题，本专利技术提供一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法。本专利技术的技术方案为：一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)镉基MOF的制备：将二水乙酸镉、有机配体、氮源以质量比为2:2:1混合并进行研磨均匀，得到固体混合物；将四氢呋喃、乙醇、去离子水以体积比为4:1:3混合均匀，得到混合溶剂；将所述固体混合物与所述混合溶剂以固液比以1:2-4混合，并利用超声处理1-1.5h，得到混合溶液；将所述混合溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，以10℃/min的升温速率升温至140-150℃，并恒温反应15-20h，得到反应物，将所述反应物冷却至室温，经离心过滤，取下层结晶体，将所述结晶体利用浓度为20％-80％的甲醇淋洗1-3次，最后在真空干燥箱中干燥得到镉基MOF；利用有机配体与镉金属离子间的金属-配体配位作用，自组装形成的超分子网络结构，导电性相较于镍基MOF和铬基MOF分别提高了50-60倍和200-300倍，利于电解水的催化分解，提高产氢率，此外，镉基MOF超分子网络结构还可对产生的氢气进行存储。(2)导电聚合物溶液的配制：取一定质量的PANI-DBSA溶解于二甲基亚砜溶剂里，在75-80℃下搅拌至完全溶解，然后再加入聚丙烯腈，常温下搅拌1-2h后，再加入ATO溶液，充分搅拌10-12h，得到共混溶液，将所述共混溶液经减压过滤、真空脱泡，得到导电聚合物溶液，其中，PANI-DBSA、二甲基亚砜、聚丙烯腈、ATO溶液的质量比为10:18:10:5；(3)溶吹包被镉基MOF：将所述镉基MOF研磨至纳米级粉末，得到纳米镉基MOF粉末，将所述纳米镉基MOF粉末和所述导电聚合物溶液分别添加到鼓吹泵和注射泵中，纳米镉基MOF与导电聚合物溶液的质量比为3-5:1，将所述鼓吹泵和注射泵连接至溶吹收集装置，向溶吹收集装置中同时吹入纳米导电聚合物溶液和纳米镉基MOF粉末，沉积成型后得到以纳米导电聚合物溶液形成的纺丝和纳米镉基MOF粉末为基体的三维催化剂初体；将导电聚合物溶液挤压溶吹成纺丝后与纳米镉基MOF粉末进行充分混合，相较于同心包裹或者混合发泡成型法三维立体性及分散性好，具有比表面积大、活性电位暴露多的优点。(4)海绵体催化剂的制备：将所述三维催化剂初体剪切成1-3cm3的立方块，然后将所述立方块平铺在托盘内，放入真空干燥箱内，升温至150-200℃，升温速率为2℃/min，保温1-2h，加热除去三维催化剂初体中的多余溶剂，降温至室温后，得到海绵体催化剂。加热除去填充在三维催化剂初体的多余溶剂，能够更进一步的提高海绵体催化剂的孔隙率，并且加热有利于成型。进一步地，所述有机配体为1,2-二咪唑乙烷、1,4-二咪唑丁烷、1,3-二咪唑丙烷、吡啶、4-4’联吡啶、N,N-二甲基甲酰胺、对苯二甲酸、硫代乙酰胺4,5-咪唑二羧酸、2-乙基-4,5-咪唑二羧酸中任意一种。进一步地，所述氮源为三聚氰胺、尿素、硫酸铵、硝酸铵、固体氨基酸、硝基苯胺、偶氮二异丁腈、乙烯亚胺中任意一种。进一步地，所述ATO溶液是由以下重量百分比的成分组成：27.3-27.8％纳米氧化锡、2.2-2.7％纳米氧化锑、余量为油性溶剂。ATO溶液作为一种导电材料，在分散性、耐活性、热塑性、耐磨性、安全性上有着其他导电材料，如石墨、表面活性剂、金属粉等无法比拟的优势。并且油性的ATO溶液易于和导电聚合物进行融合。更进一步地，所述油性溶剂为乙酸乙酯、甲苯、二甲苯、乙醇、异丙醇、丁酮、醋酸丁酯中任意一种。进一步地，所述溶吹包被镉基MOF的工艺参数为：所述导电聚合物溶液的供给速率为30-40ml/h，纳米镉基MOF粉末的供给速率为100-150g/h，导电聚合物溶液的出口压强为0.01-0.1MPa。合理的供给速率能够保证导电聚合物溶液的纺丝和纳米镉基MOF粉末在合理配比内均匀混合并成型。进一步地，所述溶吹收集装置包括收集筒柱、喷头、支架、电机、转头，所述支架包括支撑底板、加持柱一、加持柱二和加持柱三，所述加持柱一、加持柱二和加持柱三依次从左至右垂直固定在所述支撑底板上，所述电机夹在加持柱一的上端，转头的右端与所述电机的输出轴相连，所述喷头夹在加持柱二的上端，喷头左端的中心位置设有出粉口，所述出粉口的四周设有呈圆形分布的若干微孔出丝口，所述微孔出丝口通过加压管连接有注射泵，所述注射泵的右侧连接有鼓吹泵，所述鼓吹泵通过贯穿注射泵的中心管与出粉口相连，所述加持柱三用于固定所述鼓吹泵，所述收集筒柱的一端与转头卡接，另一端通过轴承与喷头转动连接。更进一步地，所述收集筒柱的一个端口设有螺纹连接口，所述螺纹连接口与通过轴承与所述喷头相连，收集筒柱的另一端口设有贯穿孔，所述贯穿孔的左右外侧分别设有L形卡接头，所述L形卡接头与所述转头卡接，收集筒柱内设有与收集筒柱内径相同的活动垫片，所述活动垫片靠近贯穿孔一端。更进一步地，所述溶吹收集装置的工作方法为：组装溶吹收集装置，再取上述配比的纳米镉基MOF粉末和导电聚合物溶液分别添加到所述鼓吹泵和注射泵中；打开所述电机，利用电机依次带动所述转头和收集筒柱进行正反转动，电机的正反转速均为100-300r/min，正反转间隔为3-5min，同时，纳米镉基MOF粉末以100-150g/h的供给速率通过所述出粉口，导电聚合物溶液以30-40ml/h的供给速率通过微孔出丝口，同时向收集筒柱内喷射纺丝和粉末，使其在收集筒柱正反转动下充分混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)镉基MOF的制备：将二水乙酸镉、有机配体、氮源以质量比为2:2:1混合并进行研磨均匀，得到固体混合物；将四氢呋喃、乙醇、去离子水以体积比为4:1:3混合均匀，得到混合溶剂；将所述固体混合物与所述混合溶剂以固液比以1:2‑4混合，并利用超声处理1‑1.5h，得到混合溶液；将所述混合溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，以10℃/min的升温速率升温至140‑150℃，并恒温反应15‑20h，得到反应物，将所述反应物冷却至室温，经离心过滤，取下层结晶体，将所述结晶体利用浓度为20％‑80％的甲醇淋洗1‑3次，最后在真空干燥箱中干燥得到镉基MOF；(2)导电聚合物溶液的配制：取一定质量的PANI‑DBSA溶解于二甲基亚砜溶剂里，在75‑80℃下搅拌至完全溶解，然后再加入聚丙烯腈，常温下搅拌1‑2h后，再加入ATO溶液，充分搅拌10‑12h，得到共混溶液，将所述共混溶液经减压过滤、真空脱泡，得到导电聚合物溶液，其中，PANI‑DBSA、二甲基亚砜、聚丙烯腈、ATO溶液的质量比为10:18:10:5；(3)溶吹包被镉基MOF：将所述镉基MOF研磨至纳米级粉末，得到纳米镉基MOF粉末，将所述纳米镉基MOF粉末和所述导电聚合物溶液分别添加到鼓吹泵和注射泵中，纳米镉基MOF与导电聚合物溶液的质量比为3‑5:1，将所述鼓吹泵和注射泵连接至溶吹收集装置，向溶吹收集装置中同时吹入纳米导电聚合物溶液和纳米镉基MOF粉末，沉积成型后得到以纳米导电聚合物溶液形成的纺丝和纳米镉基MOF粉末为基体的三维催化剂初体；(4)海绵体催化剂的制备：将所述三维催化剂初体剪切成1‑3cm3的立方块，然后将所述立方块平铺在托盘内，放入真空干燥箱内，升温至150‑200℃，升温速率为2℃/min，保温1‑2h，加热除去三维催化剂初体中的多余溶剂，降温至室温后，得到海绵体催化剂。...

【技术特征摘要】
1.一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)镉基MOF的制备：将二水乙酸镉、有机配体、氮源以质量比为2:2:1混合并进行研磨均匀，得到固体混合物；将四氢呋喃、乙醇、去离子水以体积比为4:1:3混合均匀，得到混合溶剂；将所述固体混合物与所述混合溶剂以固液比以1:2-4混合，并利用超声处理1-1.5h，得到混合溶液；将所述混合溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，以10℃/min的升温速率升温至140-150℃，并恒温反应15-20h，得到反应物，将所述反应物冷却至室温，经离心过滤，取下层结晶体，将所述结晶体利用浓度为20％-80％的甲醇淋洗1-3次，最后在真空干燥箱中干燥得到镉基MOF；(2)导电聚合物溶液的配制：取一定质量的PANI-DBSA溶解于二甲基亚砜溶剂里，在75-80℃下搅拌至完全溶解，然后再加入聚丙烯腈，常温下搅拌1-2h后，再加入ATO溶液，充分搅拌10-12h，得到共混溶液，将所述共混溶液经减压过滤、真空脱泡，得到导电聚合物溶液，其中，PANI-DBSA、二甲基亚砜、聚丙烯腈、ATO溶液的质量比为10:18:10:5；(3)溶吹包被镉基MOF：将所述镉基MOF研磨至纳米级粉末，得到纳米镉基MOF粉末，将所述纳米镉基MOF粉末和所述导电聚合物溶液分别添加到鼓吹泵和注射泵中，纳米镉基MOF与导电聚合物溶液的质量比为3-5:1，将所述鼓吹泵和注射泵连接至溶吹收集装置，向溶吹收集装置中同时吹入纳米导电聚合物溶液和纳米镉基MOF粉末，沉积成型后得到以纳米导电聚合物溶液形成的纺丝和纳米镉基MOF粉末为基体的三维催化剂初体；(4)海绵体催化剂的制备：将所述三维催化剂初体剪切成1-3cm3的立方块，然后将所述立方块平铺在托盘内，放入真空干燥箱内，升温至150-200℃，升温速率为2℃/min，保温1-2h，加热除去三维催化剂初体中的多余溶剂，降温至室温后，得到海绵体催化剂。2.如权利要求1所述的一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法，其特征在于，所述有机配体为1,2-二咪唑乙烷、1,4-二咪唑丁烷、1,3-二咪唑丙烷、吡啶、4-4’联吡啶、N,N-二甲基甲酰胺、对苯二甲酸、4,5-咪唑二羧酸、2-乙基-4,5-咪唑二羧酸中任意一种。3.如权利要求1所述的一种多功能电解水用海绵体催化剂的制备方法，其特征在于，所述氮源为三聚氰胺、尿素、硫酸铵、硝酸铵、固体氨基酸、硝基苯胺、偶氮二异丁腈、乙烯亚...

【专利技术属性】
技术研发人员：逯纪涛，周思齐，
申请(专利权)人：潍坊学院，
类型：发明
国别省市：山东,37