一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开一种单原子铂‑氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法及其应用，解决现有技术中存在的单原子铂催化剂由于通常为粉体，需要使用粘结剂负载在工作电极上，从而在大电流密度下难以保持高活性和稳定性的问题。本发明专利技术包括：(S1)将石墨箔进行超声清洗并干燥；(S2)使用氮气等离子体轰击干燥后的石墨箔，获得氮掺杂石墨箔；(S3)使用光还原方法将单原子铂负载在氮杂石墨箔上，得到单原子铂‑氮杂石墨箔自支撑析氢电极。本发明专利技术以简便环保的方式获得了铂单原子‑氮杂石墨箔自支撑析氢电极，一步实现了基底表面形貌和掺杂元素的调控，获得了自支撑的适于高电流密度的析氢电极，为电解水获取氢能的研究提供了良好的前置基础，因此适于推广应用。

Preparation and application of a single atom platinum nitrogen graphite foil self supported hydrogen evolution electrode

【技术实现步骤摘要】
一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法及其应用
本专利技术属于纳米复合材料
，具体涉及一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法及其应用。
技术介绍
电解水制备氢气是获取清洁的氢能的有效途径，而析氢反应作为电解水过程的半反应，催化促进其动力学过程具有重要意义。比较已经开发出贵金属基催化剂、过渡金属化合物催化剂、非金属催化剂可知，铂基催化剂的催化活性和稳定性仍远高于其他各种类析氢反应催化剂。然而，由于贵金属铂储量低、价格高，其大规模实际应用受到严重制约。在不显著降低其催化活性的前提下，降低析氢反应催化剂中金属铂的负载量具有重要意义。目前已发展出降低铂粒子尺寸、制备核壳结构、制备合金等策略来降低铂用量。相比上述策略而言，制备单原子铂催化剂不仅可进一步大幅度降低铂的负载量，而且可实现优于基于铂纳米粒子的催化剂的催化活性和稳定性，具有重要的应用前景。目前已经发展出原子层沉积法、热解法、光还原法、化学还原法等方法制备铂单原子催化剂。然而，目前制备的单原子铂催化剂通常为粉体材料，当应用于电催化反应时，需要先混合化学粘结剂再负载在工作电极上使用。这种结构不仅会降低电极的电化学活性面积，从而降低催化剂比活性，而且还难以促进电解液的输运以及消除析氢反应中气泡释放对电极表面结构的影响，在高电流密度下会显著降低电极活性及稳定性。并且粘结剂的使用还会进一步覆盖部分活性位点，减缓电荷和物质的输运。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法及其应用，主要解决现有技术中存在的单原子铂催化剂由于通常为粉体，需要使用粘结剂负载在工作电极上，从而在大电流密度下难以保持高活性和稳定性的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法，包括以下步骤：(S1)将石墨箔进行超声清洗并干燥；(S2)使用氮气等离子体轰击干燥后的石墨箔，获得氮掺杂石墨箔；(S3)使用光还原方法将单原子铂负载在氮杂石墨箔上，得到单原子铂-单杂石墨箔自支撑析氢电极。具体地，所述步骤(S1)的具体过程为：将石墨箔依次置于乙醇、丙酮、水中超声清洗。具体地，所述步骤(S2)的具体过程为：将干燥后的石墨箔置于基于考夫曼离子源的束线离子注入设备中，在氮气气氛中进行处理，即得到单掺杂石墨箔，其中：等离子体电压为10-60kV，处理时间为10-60min。具体地，所述步骤(S3)的具体过程为：将氯铂酸的以纯溶液滴涂在氮杂石墨箔表面，自然晾干后置于汞灯下照射15-60min，汞灯功率为200W，去离子水润洗后，即得到单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极。优选地，所述氯铂酸溶液浓度为0.1-5mmol/L，滴涂体积为5-50μL/cm2。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术制备了一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极，相比于其他单原子铂析氢反应催化剂，本方法可制备负载有铂的自支撑电极，且该电极表面有丰富氮杂原子，可高效的锚定铂单原子，确保铂单原子的分散性和稳定性；该电极表面具有均匀分布的纳米阵列结构，极大增加了电极表面积，且可在析氢反应中促进电解液的输运以及气泡的脱附，确保在高电流密度下的析氢反应催化活性和稳定性；该电极基体保留石墨结构，具有高导电性和机械稳定性，可增强复合电极的催化性能；还原过程不涉及热解、球磨等过程，可制备自支撑电极，电极不需要使用化学粘结剂，可充分暴露催化活性位点。本专利技术中主要使用等离子体处理及光还原两种方法，不涉及氨气、硝酸等常见有毒氮源，具有绿色环保、易扩大制备的特点。本专利技术制备得到的单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极具有合适的表面形貌和化学结构，为使用电解水方法获取氢能提供了良好的前置基础，适于推广应用。附图说明图1为本专利技术制备单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的流程示意图。图2为本专利技术-实施例1中单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的电镜示意图，其中，(a,b)为扫描电镜示意图，(c)为透射电镜示意图，(d)为球差校正透射电镜照片。图3为本专利技术-实施例1中单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的(a)X射线衍射图谱，其中，(b)为N1sX光电子能谱结果示意图，(c)为铂元素的X射线吸收近边结构示意图，(d)为铂元素的延伸X射线吸收精细结构示意图。图4为本专利技术-实施例1中单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极催化析氢反应的示意图，其中，(a)为极化曲线，(b)为过电位为0.05V时的质量比活性示意图，(c)为恒电位测试示意图，(d)为加速退化测试示意图。具体实施方式下面结合附图说明和实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的方式包括但不仅限于以下实施例。本专利技术提供了一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法，具有制备方法简单、过程无污染的优点，并且所获得的单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极在电催化反应实现氢能制备方面，具有合适的表面形貌和化学结构，为使用电解水方法获取氢能提供了良好的前置基础。本专利技术的主要设计思想是一步制备具有合适表面形貌及丰富杂原子的石墨基底，再光还原负载较高密度的铂单原子。其主要流程如图1所示，包括：一、制备氮掺杂石墨箔基底；二、制备单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极。下面依次对这两个主要过程进行介绍。一、制备氮杂石墨箔基底本专利技术中，首先，将石墨箔依次置于乙醇、丙酮、水中超声清洗，然后使用氮气等离子体轰击商用石墨箔获得氮杂石墨箔基底，具体为：将干燥后的石墨箔置于基于考夫曼离子源的束线离子注入设备中，在氮气气氛中处理一段时间，即得到氮掺杂石墨箔。该方法不涉及氨气、硝酸等有害氮源，制备速度快，可一步实现表面纳米结构的调控及表面氮元素的掺杂的同时，保留石墨箔的高导电性和高机械稳定性。二、制备单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极本专利技术中，使用光还原方法将单原子铂负载在氮杂石墨箔上，具体为：将氯铂酸的乙醇溶液滴涂在制备的氮杂石墨箔表面，自然晾干后置于汞灯下照射，去离子水润洗后，即得到单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极。本方法中乙醇可辅助氯铂酸实现均匀分散，还原过程操作简单、无污染，对氯铂酸前驱体利用率高，对基底材料机械性能无影响，可制备自支撑电极，且可调节基底大小实现大批量生产。下面针对本专利技术的技术方案列举几个实际案例进行说明。实施例1将石墨箔依次置于乙醇、丙酮、水中超声清洗，干燥后置于基于考夫曼离子源的束线离子注入设备中，电压为60kV，在氮气气氛中处理30min，即得到氮掺杂石墨箔；将10μL浓度为0.3mmol/L的氯铂酸的乙醇溶液滴涂在1cm2的氮杂石墨箔表面，自然晾干后置于汞灯下照射30min，汞灯功率为200W，去离子水润洗后，即得到单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极。由图2中(a，b)可见，单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极表面为均匀的纳米阵列结构，该结构有利于涉及气体生成的电催化反应，此外扫描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(S1)将石墨箔进行超声清洗并干燥；/n(S2)使用氮气等离子体轰击干燥后的石墨箔，获得氮掺杂石墨箔；/n(S3)使用光还原方法将单原子铂负载在氮杂石墨箔上，得到单原子铂-单杂石墨箔自支撑析氢电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)将石墨箔进行超声清洗并干燥；
(S2)使用氮气等离子体轰击干燥后的石墨箔，获得氮掺杂石墨箔；
(S3)使用光还原方法将单原子铂负载在氮杂石墨箔上，得到单原子铂-单杂石墨箔自支撑析氢电极。


2.根据权利要求1所述的一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(S1)的具体过程为：将石墨箔依次置于乙醇、丙酮、水中超声清洗。


3.根据权利要求1或2所述的一种单原子铂-氮杂石墨箔自支撑析氢电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(S2)的具体过程为：将干燥后的石墨箔置于基于考夫曼离子源的束线离子注入设备中，在氮气气氛中进行处理，即得...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐劲松，李瑞，闫霞艳，曾荣光，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51