一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂及其制备方法和应用。该制备方法包括如下步骤：S1：采用电沉积技术制备螺旋状MoO2前驱体；S2：利用化学气相沉积法制备螺旋状Mo2C催化剂；S3：利用电镀法制备螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂。本发明专利技术制得的螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂由于其螺旋状的形貌避免了催化剂团聚烧结现象，具有较高的析氢活性，且可以直接作为一体化电极参与到电解水反应。本发明专利技术的制备流程简单易行，重复性好，且大幅降低了析氢催化剂的制备成本，具有重要的实际应用价值。

A Helical Mo2C Catalyst with Ultra-Low Platinum Load and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于电催化电解水制氢气领域，具体涉及一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
由于近年来在全球范围内化石能源的大量消耗以及由此引来的气候变化问题日趋严峻，可持续新能源的开发和利用被社会愈发关注和重视。其中氢燃料电池由于其能量转换效率高、能量密度大、功率大、供电时间长、使用寿命长以及不产生有害排放物等优点，是未来新能源领域冉冉升起的新星。燃料电池的阳极反应物氢气具有能量密度高和绿色环保等特点，是未来新能源领域开发的重点之一，氢能的广泛应用对于解决能源危机以及温室气体过量排放导致的气候问题都有着重大的战略意义。目前氢气的主要来源是通过化石燃料制氢，此类制氢工艺在生产过程中会排出大量的温室气体，导致严重的环境污染，并且消耗大量的化石燃料，与利用清洁能源的目的相悖。在现有的制氢技术中，电解水制氢使用来源广泛的水资源作为原料，具有高效清洁无污染的优点，是未来最具前景的制氢途径。电解水制氢包括阳极的析氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)。但是目前电解水制氢存在的主要技术瓶颈是能耗过高，需要消耗大量的电能，而且目前最好的HER催化剂是铂基催化剂，由于铂金属地表储量稀缺和昂贵的价格使得铂基催化剂难以在工业制氢领域广泛应用。因此研究出新型低成本高性能催化剂来减少甚至取代铂基催化剂的使用成为当前电解水制氢领域研究的热点。近年来，科研人员致力研究将过渡金属碳化物，硫化物及磷化物作为铂基催化剂的替代者，其中过渡金属钼(Mo)及其化合物是在HER领域广受关注的非贵金属催化剂之一。碳化钼(Mo2C)由于其外层d轨道的电子结构与铂族元素的d轨道的电子结构相似以及高的电子转移率的特性，所以碳化钼具有非常优异的电解水制氢性能。但是在目前研究领域碳化钼催化剂的性能与稳定性仍与铂基催化剂存在较大的差距。为了进一步提升Mo2C等非贵金属催化剂的析氢性能，同时控制催化剂的生产成本，在催化剂上负载微量的贵金属铂，制备超低铂载量催化剂来替代传统铂基催化剂成为目前HER催化剂领域的热门研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中非贵金属析氢催化剂析氢活性与铂基催化剂相比差距较大的缺陷和不足，提供一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂的制备方法。本专利技术将有效催化组分呈螺旋状包裹在碳布纤维上，这种螺旋状的结构保证了催化剂不会出现烧结团簇而降低催化活性的现象，同时螺旋状的表面结构扩大了催化剂的接触面积，并提供了数量可观的活性位点，使得该催化剂具有优异的析氢活性；本专利技术的制备方法过程简单，制备得到的催化剂与Mo2C催化剂相比析氢性能有了大幅提升，而且相较于传统商业化铂碳催化剂，其铂的载量大幅减少，成本也因此得以降低，为降低目前电解水制氢的高昂成本提供了可行的方案。另外，该催化剂为包含有效催化成分的一体化电极，可作为工作电极参与电解水反应，适合电解水制氢领域的广泛应用。本专利技术的另一目的在于提供一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂。本专利技术的另一目的在于提供上述螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂在电催化析氢领域中的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1：螺旋状MoO2前驱体的制备：采用电沉积技术在棒状导电基底上沉积得到螺旋状MoO2前驱体；S2：螺旋状Mo2C催化剂的制备：将螺旋状MoO2前驱体于Ar/H2混合气体气氛中700～1000℃下保温50～100min，然后通入碳氢化合物气体，降温，得螺旋状Mo2C催化剂；S3：螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂的制备：在螺旋状Mo2C催化剂上电镀铂，洗涤，干燥，即得所述螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂。本专利技术利用电沉积的方式在棒状导电基底上得到螺旋状的MoO2前驱体；然后利用化学气相沉积法使得MoO2前驱体转化为Mo2C，然后在螺旋状Mo2C催化剂上电镀负载超低量的铂，即可得到析氢性能优异的催化剂，整个制备方法过程简单。由于螺旋状的结构，保证了催化剂不会出现烧结团簇而降低催化活性的现象，同时有效催化组分呈螺旋状包裹在棒状导电基底上，螺旋状的表面结构扩大了催化剂的接触面积，并提供了数量可观的活性位点，使得该催化剂具有优异的析氢活性；该方法制备得到的催化剂与Mo2C催化剂相比析氢性能有了大幅提升，而且相较于传统商业化铂碳催化剂，其铂的载量大幅减少，成本也因此得以降低，为降低目前电解水制氢的高昂成本提供了可行的方案。另外，该催化剂为包含有效催化成分的一体化电极，可作为工作电极参与电解水反应，适合电解水制氢领域的广泛应用。一般情况下，铂一旦负载，就可实现对Mo2C催化剂析氢性能的提升，在本专利技术中，超低铂载量所指代的含义是铂载量不高于15μg/cm2。优选地，S1中所述电沉积的方式为恒电流阴极电沉积，在双电极电解池中进行。更为优选地，所述双电极电解池选用的工作电极为棒状导电基底，对电极为导电碳材料，电解液为钼酸铵溶液。最为优选地，所述导电基底为碳布纤维。最为优选地，所述导电碳材料为碳棒、碳布或碳纸。最为优选地，所述钼酸铵溶液的浓度为5～15mmol/L。更为优选地，所述恒电流阴极电沉积的外加恒电流为2～8mA/cm2，电沉积时间为10～50min。优选地，S2Ar/H2混合气体气氛中H2的体积分数为2～20％。必然的，Ar的体积分数为80～98％。优选地，S2中Ar/H2混合气体气氛通过如下过程获得：通入Ar/H2混合气体排除空气后，持续通入Ar/H2混合气体；通入Ar/H2混合气体的流速为100～200sccm。优选地，S2中通入碳氢化合物气体的流速为20～60sccm，通入的时间为10～120min；降温的速率为2～10℃/min。优选地，所述碳氢化合物气体为甲烷、乙烷或丙烷中的一种或几种。更为优选地，所述碳氢化合物气体为甲烷；所述甲烷的纯度为99.9999％。优选地，S2中以2～10℃/min升温至700～1000℃。优选地，S3中利用三电极电解池电镀铂。更为优选地，所述三电极电解池选用的工作电极为螺旋状Mo2C催化剂，对电极为金属铂，电解液为H2SO4溶液。最为优选地，所述金属铂为铂金属片、铂金属丝或铂金属块。最为优选地，H2SO4溶液的浓度为0.2～1.0mol/L。优选地，所述电镀铂的方法为循环伏安扫描电镀法，扫描电压为0～-0.7Vvs.RHE，扫描速度为20～100mV/s，电镀时间为8～14h。电镀的条件可根据实际情况进行调整，使得催化剂中铂的负载量合适即可。一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂，通过上述制备方法制备得到。上述螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂在电催化析氢领域中的应用也在本专利技术的保护范围内。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术制备所得的析氢催化剂中有效催化组分是呈螺旋状包裹在棒状导电基底上，这种螺旋状的结构保证了催化剂不会出现烧结团簇而降低催化活性的现象，同时螺旋状的表面结构扩大了催化剂的接触面积，并提供了数量可观的活性位点，使得该催化剂具有优异的析氢活性。(2)本专利技术制备所得的析氢催化剂与Mo2C催化剂相比析氢性能有了大幅提升，而且相较于传统商业化铂碳催化剂，其铂的载量大幅减少，成本也因此得以降低，为降低目前电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：螺旋状MoO2前驱体的制备：采用电沉积技术在棒状导电基底上沉积得到螺旋状MoO2前驱体；S2：螺旋状Mo2C催化剂的制备：将螺旋状MoO2前驱体于Ar/H2混合气体气氛中700～1000℃下保温50～100min，然后通入碳氢化合物气体，降温，得螺旋状Mo2C催化剂；S3：螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂的制备：在螺旋状Mo2C催化剂上电镀铂，洗涤，干燥，即得所述螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：螺旋状MoO2前驱体的制备：采用电沉积技术在棒状导电基底上沉积得到螺旋状MoO2前驱体；S2：螺旋状Mo2C催化剂的制备：将螺旋状MoO2前驱体于Ar/H2混合气体气氛中700～1000℃下保温50～100min，然后通入碳氢化合物气体，降温，得螺旋状Mo2C催化剂；S3：螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂的制备：在螺旋状Mo2C催化剂上电镀铂，洗涤，干燥，即得所述螺旋状超低铂载量Mo2C催化剂。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S1中所述电沉积的方式为恒电流阴极电沉积，在双电极电解池中进行。3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述双电极电解池选用的工作电极为碳布，对电极为碳棒、碳布或碳纸，电解液为钼酸铵溶液。4.根据权利要求2所述制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋树芹，饶学凯，王毅，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44