一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂及其制备方法和应用，所述基于铂合金的钽类化合物电催化剂由钽类化合物和负载在钽类化合物上的铂‑非贵金属合金组成，铂‑非贵金属合金与钽类化合物的质量比为0.5~1.5：10，所述钽类化合物为氧化钽、氮氧化钽或氮化钽，所述非贵金属为钴、镍中的至少一种金属元素。本发明专利技术通过简便且成本较低的方法合成出新颖的铂合金负载的钽类化合物，该铂合金负载的钽类化合物暴露出了钽类化合物的特殊晶面，使钽类化合物的特殊晶面与铂合金纳米颗粒产生一种协同作用，明显改善了析氢反应催化活性和稳定性，其电流密度优于PtC。

【技术实现步骤摘要】
一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于电催化
，具体涉及一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
作为现代社会三大支柱之一的能源对社会发展起着重要作用。然而随着经济的发展，人类大量使用化石燃料不仅造成非再生能源的日益减少，直至消耗殆尽。而且在燃烧化石燃料过程中，还会产生大量的污染气体，如NOx、COx、SOx等形成酸雨、温室效应危害环境。因此人们逐渐意识到寻找清洁能源的重要性。近年来发现的清洁能源主要有太阳能、氢能、风能、海洋能、地热能等。其中氢能因其燃烧效率高、资源丰富、零污染、成本相对低廉被认为是21世纪最有发展潜力的能源。电解水制备高纯氢气是工业制氢的重要手段，其中在碱性溶液中电解制氢研究的更为成熟，应用也更为广泛。在碱性溶液中电解制氢的原理就是以氢氧化钠作为导电盐，碱性溶液中的水分子在阴极还原生成氢原子和氢氧根，氢氧根在阳极发生氧化，生成水分子和氧原子，在阴极还原生成的氢原子将会继续相互结合，最终以氢气的形式释放出来。因此，在电解制氢的过程中，阴极析氢反应催化剂的选择至关重要，不仅会影响水分子还原生成氢原子和氢氧根的反应活化能，而且可以决定氢原子相互结合析出氢气的动力学参数。良好的阴极析氢反应催化剂可以降低水分子还原生成氢原子和氢氧根的反应活化能，也就是提高电荷转移步骤的电化学可逆性，降低析氢过程的电化学极化。正因为如此，选择合适的阴极析氢反应催化剂可以提高电解制氢过程中能量转换的效率，避免电能转换为热能释放出去，从而降低析氢过程的能耗。然而，目前的析氢反应催化剂中最为有效、可靠的材料是贵金属铂，虽然其可以降低电解析氢的活化能从而节省电能成本，但昂贵的价格又使得生产企业无力购买。因此，降低贵金属铂的负载量降低催化剂投入成本，和选择有利于降低析氢过程电化学极化的析氢催化剂从而降低能耗成为电解制氢领域必须面临的抉择。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂及其制备方法和应用，其目的在于提高贵金属催化剂在碱性电解质中水分解催化活性和稳定性。一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂，其特征在于由钽类化合物和负载在钽类化合物上的铂-非贵金属合金组成，铂-非贵金属合金与钽类化合物的质量比为0.5~1.5：10，所述钽类化合物为氧化钽、氮氧化钽或氮化钽，所述非贵金属为钴、镍中的至少一种金属元素。所述的基于铂合金的钽类化合物电催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将可溶性无机碱和五氧化二钽加入蒸馏水中充分搅拌，搅拌均匀的混合液转移至高压反应釜中，高压反应釜置于150~170℃的烘箱中恒温反应10~14h，待反应结束后将高压反应釜内的反应液过滤，滤渣用去离子水洗涤，然后置于真空干燥箱中干燥，得到钽酸钾；2）步骤1）所得钽酸钾和金属氯化物、金属氟化物充分混合，然后置于450-650℃马弗炉中煅烧2-5h，得到掺杂有阴离子的钽酸钾前驱体（即得到掺杂有氟、氯阴离子的钽酸钾前驱体，氟、氯阴离子的掺入可以在后续处理步骤中抑制催化剂某些晶面的生长，从而形成纳米棒状的氮化钽或颗粒状的氮氧化钽）；3）步骤2）所得掺杂有阴离子的钽酸钾前驱体置于管式炉内，在氨气气氛下焙烧，焙烧后的产物用去离子水洗涤，干燥，得到钽类化合物；4）将步骤3）所得钽类化合物、铂盐和非贵金属盐置于研钵中充分研磨，然后置于管式炉内，在氮气气氛下焙烧，即制得所述基于铂合金的钽类化合物电催化剂。所述的一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，可溶性无机碱为氢氧化钾；可溶性无机碱和五氧化二钽加入蒸馏水中时，可溶性无机碱和五氧化二钽的摩尔比为30-10:1，可溶性无机碱在蒸馏水中的浓度为0.1-1mol/L。所述的一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤2）中，金属氯化物为氯化钾，金属氟化物为氟化钾；所述钽酸钾和金属氯化物、金属氟化物的摩尔比为1-2:1.5-3:0-1.5。所述的一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤3）中，煅烧温度为850-950℃，煅烧时间为2-10小时，氨气流量为100-400mL/min。所述的一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤4）中，铂盐为乙酰丙酮铂、六氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯化铂或氯化亚铂；非贵金属盐为乙酰丙酮钴、乙酸钴、醋酸钴、硝酸钴、硫酸钴、乙酰丙酮镍、乙酸镍、醋酸镍、硝酸镍、硫酸镍中的一种或两种以上混合物。所述的一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤4）中，焙烧温度为300-600℃，焙烧时间为2-5小时。所述的一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂在电解水析氢反应中的应用。所述的一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂在电解水析氢反应中的应用，其特征在于采用两电极体系测试装置，以碳棒为对电极，所述基于铂合金的钽类化合物电催化剂为工作电极，以无机碱水溶液为电解液，进行电解水反应，生成氢气。通过采用上述技术，与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术通过简便且成本较低的方法合成出新颖的铂合金负载的钽类化合物，该复合材料暴露出了钽类化合物的特殊晶面，使钽类化合物的特殊晶面与铂合金纳米颗粒产生一种协同作用，明显改善了析氢反应催化活性和稳定性，其电流密度优于PtC；并且制备方法简单，成本低，易于调控；为该类材料在电催化领域提供了基础应用研究，具有广阔的应用前景。附图说明图1a为实施例1所获得的PtCo/Ta3N5在1μm下的扫描电子显微镜观察图；图1b为实施例1所获得的PtCo/Ta3N5在250nm下的扫描电子显微镜观察图；图2a为实施例1所获得的PtCo/Ta3N5在50nm下的透射电子显微镜观察图；图2b为实施例1所获得的PtCo/Ta3N5在5nm下的透射电子显微镜观察图；图3为实施例1所得PtCo/Ta3N5、实施例2所得PtNi/Ta3N5和Pt/C的电解水产生氢气的线性扫描伏安图；图4为实施例3所得PtCo/TaON、实施例4所得PtNi/TaON和Pt/C的电解水产生氢气的线性扫描伏安图；图5为实施例5所得PtCo/Ta2O5、实施例6所得PtNi/Ta2O5和Pt/C的电解水产生氢气的线性扫描伏安图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。实施例1：PtCo/Ta3N5的合成1）将30mL的1mol/L的氢氧化钾水溶液和0.4g五氧化二钽加入30mL蒸馏水中超声10分钟后，将混合液转移至高压反应釜中，高压反应釜置于160℃烘箱中恒温反应12h，待反应结束后将高压反应釜内的反应液过滤，滤渣用去离子水洗涤，再在80℃真空干燥箱中干燥12h，得到钽酸钾；2）将步骤1）所得钽酸钾、氯化钾和氟化钾按照1.5:2:1的摩尔比充分混合，然后置于550℃马弗炉中煅烧2h，得到掺杂有阴离子的钽酸钾前驱体材料；3）步骤2）所得掺杂有阴离子的钽酸钾前驱体置于管式炉内，在氨气气氛下焙烧，焙烧温度为950℃，焙烧时间为2小时，氨气流量为200mL/min，焙烧后的产物用去离子洗涤4遍，然后放在60℃真空干燥箱中干燥12h，得到氮化钽；4）步骤3）所得氮化坦、乙酰丙酮铂和乙酰丙酮钴按照摩尔比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂，其特征在于由钽类化合物和负载在钽类化合物上的铂‑非贵金属合金组成，铂‑非贵金属合金与钽类化合物的质量比为0.5~1.5：10，所述钽类化合物为氧化钽、氮氧化钽或氮化钽，所述非贵金属为钴、镍中的至少一种金属元素。

【技术特征摘要】
1.一种基于铂合金的钽类化合物电催化剂，其特征在于由钽类化合物和负载在钽类化合物上的铂-非贵金属合金组成，铂-非贵金属合金与钽类化合物的质量比为0.5~1.5：10，所述钽类化合物为氧化钽、氮氧化钽或氮化钽，所述非贵金属为钴、镍中的至少一种金属元素。2.一种如权利要求1所述的基于铂合金的钽类化合物电催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将可溶性无机碱和五氧化二钽加入蒸馏水中充分搅拌，搅拌均匀的混合液转移至高压反应釜中，高压反应釜置于150~170℃的烘箱中恒温反应10~14h，待反应结束后将高压反应釜内的反应液过滤，滤渣用去离子水洗涤，然后置于真空干燥箱中干燥，得到钽酸钾；2）步骤1）所得钽酸钾和金属氯化物、金属氟化物充分混合，然后置于450-650℃马弗炉中煅烧2-5h，得到掺杂有阴离子的钽酸钾前驱体；3）步骤2）所得掺杂有阴离子的钽酸钾前驱体置于管式炉内，在氨气气氛下焙烧，焙烧后的产物用去离子水洗涤，干燥，得到钽类化合物；4）将步骤3）所得钽类化合物、铂盐和非贵金属盐置于研钵中充分研磨，然后置于管式炉内，在氮气气氛下焙烧，即制得所述基于铂合金的钽类化合物电催化剂。3.一种如权利要求2所述的基于铂合金的钽类化合物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，可溶性无机碱为氢氧化钾；可溶性无机碱和五氧化二钽加入蒸馏水中时，可溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟兴，严逸珑，王建国，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33