一种催化剂、制备方法及在电解水制氢的应用技术

一种催化剂、制备方法及在电解水制氢的应用。本发明专利技术属于催化剂技术领域，涉及一种催化剂，所述催化剂的基底为铜材料，所述铜材料表面包覆立方相结构金属镍，所述立方相结构金属镍表面包覆六方相结构金属镍；所述立方相结构金属镍的厚度为10～200nm，所述六方相结构金属镍的厚度为1～20nm；本发明专利技术的催化剂采用甲酸钠和镍源，以铜材料为基底，经过简单的水热反应直接制备，反应步骤简单、不使用贵金属，具有成本低、催化效率高、稳定性好的特点，在电催化分解水产氢上具有巨大的应用价值。

A catalyst, preparation method and application in hydrogen production from electrolyzed water

【技术实现步骤摘要】
一种催化剂、制备方法及在电解水制氢的应用
本专利技术属于催化剂
，涉及一种催化剂、制备方法及在电解水制氢的应用。
技术介绍
氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，而电解水制氢由于具有可再生能源及环境友好的优势，成为制氢方法的研究热点。但是想要在实际装置中大量生产氢气，则需要能在工业制氢环境(大电流，高电解液浓度等)下高效稳定运转的催化剂。铂基贵金属催化剂是较好的电解水催化剂，但由于储量稀少、价格昂贵，难以规模化应用。金属镍由于储量丰富、价格低廉、理论析氢活性最接近贵金属的非贵金属催化剂，富有工业化生产的应用前景。但是非贵金属催化剂在实际应用中所遇到了几个问题：(1)高活性的过渡金属催化剂在空气中易氧化，从而丧失催化活性；(2)通常的催化剂难以在实际的产氢工作环境下长时间稳定工作；(3)缺乏简易、廉价的合成方法来制备高效稳定的催化剂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种催化剂，具有独创性的多层不同镍晶型包覆结构，结构稳定性好，不使用贵金属，成本低。本专利技术的另一个目的在于提供一种催化剂的制备方法，所用原料简单、价格便宜，制备方法简单、成本低、可规模化生产。本专利技术还有一个目的在于提供一种催化剂在电解水制氢的应用，具有催化活性高、稳定性好的特点。本专利技术采用以下的技术方案，一种催化剂，所述催化剂的基底为铜材料，所述铜材料表面包覆立方相结构金属镍，所述立方相结构金属镍表面包覆六方相结构金属镍；所述立方相结构金属镍的厚度为10～200nm，所述六方相结构金属镍的厚度为1～20nm。优选的，所述立方相结构金属镍的厚度为30～180nm。更优选的，所述立方相结构金属镍的厚度为50～130nm。优选的，所述六方相结构金属镍的厚度为2～15nm。更优选的，所述六方相结构金属镍的厚度为3～10nm。优选的，所述铜材料选自泡沫铜、铜粉、铜网和铜箔中的至少一种。一种上述任一实施方案所述的催化剂的制备方法，包括以下步骤，S1、所述铜材料在丙酮或无水乙醇中超声脱脂除油，超纯水冲洗，置入盐酸中超声去除表面氧化物，再用超纯水清洗，获得预处理铜材料；S2、按重量份数计，1份甲酸钠加入到4～200份水中，获得甲酸钠溶液；S3、按重量份数计，1份镍源加入到15～600份N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，获得镍源溶液；S4、将步骤S1获得的预处理铜材料、步骤S2获得的甲酸钠溶液和步骤S3获得的镍源溶液加入到反应釜中，密封，置于150～180℃环境下反应12～24小时，冷却，取出铜材料，清洗，真空干燥，获得所述催化剂。优选的，步骤S3中所述镍源选自氯化镍、乙酰丙酮镍、硫酸镍和硝酸镍中的至少一种。优选的，步骤S4中所述甲酸钠溶液和所述镍溶液加入到反应釜后液面浸没过所述铜材料。优选的，步骤S4中所述反应釜中加入铜材料、甲酸钠溶液和镍源溶液后，反应填充比例为45～75％。优选的，步骤S4中所述反应釜中加入铜材料、甲酸钠溶液和镍源溶液之后，密封之前，反应釜置于超声波发生器中超声震荡5～15分钟。一种上述任一实施方案所述的催化剂在电催化分解水产氢上的应用。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术的制备方法采用的是一步水热反应直接合成最终产物，具有合成条件温和，方法简单，易于操作，且所用原料廉价易得，产物后处理简单，对环境友好，适合大规模生产，实际应用前景好。(2)本专利技术的催化剂有较多的催化活性位点，表面暴露面为六方相结构金属镍，与内层的立方相金属镍形成晶相异质结，表现出较好的电催化活性和稳定性。(3)本专利技术的催化剂可直接作为电催化反应的电极材料，镍金属与铜材料基底无需外加粘结剂便形成紧密结合的异质结，极大提高了该电催化电极的结构稳定性。附图说明图1为本专利技术的催化剂的结构示意图，其中，1-铜材料，2-立方相结构金属镍，3-六方相结构金属镍。图2为实施例1的催化剂1表面形貌SEM图。图3为实施例1的催化剂1切片的TEM图及相应区域的傅里叶变换图。图4为实施例1的催化剂1的XRD图。图5为实施例3的催化剂3的高分辨低能离子散射(HS-LEISS)图谱。图6为实施例5的催化剂5的表面形貌SEM图。图7为实施例6的催化剂6的表面形貌SEM图。图8为实施例7的催化剂7的表面形貌SEM图。图9为催化剂1在1MKOH电解液中的极化曲线(LSV)图，其中，1-催化剂1，2-泡沫镍，3-泡沫铜。图10为催化剂2在80℃的6MKOH电解液中的极化曲线(LSV)图。具体实施方式以下藉由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技艺的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技艺的人士的了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如「上」、「内」、「外」、「底」、「一」、「中」等用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本专利技术可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更
技术实现思路
下，当也视为本专利技术可实施的范畴，合先叙明。实施例1泡沫铜裁剪成1×2×2cm的小块，在丙酮中超声脱脂除油10min，超纯水冲洗3次，置入1mol/L盐酸中超声10min去除表面氧化物，再用超纯水清洗3次，获得预处理泡沫铜；称取0.33g甲酸钠加入到1.5ml超纯水中，获得甲酸钠溶液；称取0.05gNiCl2·6H2O加入13mlDMF中超声溶解，获得氯化镍溶液；将甲酸钠溶液和氯化镍溶液混合超声震荡均匀后加入到25ml反应釜中，加入预处理泡沫铜，密封，置于程序升温烘箱中，升温速率3℃/min，在160℃下反应18小时，冷却至室温，取出泡沫铜，水和乙醇交替清洗3次，60℃真空干燥12h，获得催化剂1。由附图2可以看出催化剂1的三维骨架表面较为粗糙，有类似于蜂窝状结构，比表面积较大，能提供更多的催化位点，有利于促进催化反应的进行。由附图3和附图4可知，催化剂1中表面六方相结构金属镍的厚度约为5nm，内部立方相结构金属镍的厚度约为100nm。实施例2称取0.2g甲酸钠加入到1.5ml超纯水中，获得甲酸钠溶液；称取0.2gNiCl2·6H2O加入13mlDMF中超声溶解，获得氯化镍溶液；将甲酸钠溶液和氯化镍溶液混合超声震荡均匀后加入到25ml反应釜中，加入实施例1中的预处理泡沫铜，密封，置于程序升温烘箱中，升温速率3℃/min，在150℃下反应24小时，冷却至室温，取出泡沫铜，水和乙醇交替清洗3次，60℃真空干燥12h，获得催化剂2。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化剂，其特征在于，所述催化剂的基底为铜材料，所述铜材料表面包覆立方相结构金属镍，所述立方相结构金属镍表面包覆六方相结构金属镍；所述立方相结构金属镍的厚度为10～200nm，所述六方相结构金属镍的厚度为1～20nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种催化剂，其特征在于，所述催化剂的基底为铜材料，所述铜材料表面包覆立方相结构金属镍，所述立方相结构金属镍表面包覆六方相结构金属镍；所述立方相结构金属镍的厚度为10～200nm，所述六方相结构金属镍的厚度为1～20nm。


2.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述立方相结构金属镍的厚度为30～180nm。


3.如权利要求2所述的催化剂，其特征在于，所述立方相结构金属镍的厚度为50～130nm。


4.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述六方相结构金属镍的厚度为2～15nm。


5.如权利要求4所述的催化剂，其特征在于，所述六方相结构金属镍的厚度为3～10nm。


6.如权利要求1-5任一项所述的催化剂，其特征在于，所述铜材料选自泡沫铜、铜粉、铜网和铜箔中的至少一种。


7.一种权利要求1-6任一项所述的催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑南峰，李智森，刘圣杰，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35