一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法及应用，本发明专利技术将碳纤维纸作为基底材料，以氢氧化钠、柠檬酸钠、钴源和钼源为原料，采用多相脉冲电沉积技术即可得到目标材料。本发明专利技术制备方法简单可控，制备周期短，生产成本低，重复性好，极有可能实现规模化生产。受益于自身比表面积大、导电性能好以及钴钼合金与基底间具有较强的附着力等优点，所得的钴钼纳米合金材料可在碱性电解槽内进行电解水产氢反应，最优仅需80mV的过电势，即可达到电流密度为10mA cm

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于无机功能材料领域，涉及电解水催化材料制备技术，具体为一种碳纤维负载纳米钴钼合金材料的制备方法及在高效电催化裂解水产氢方面的应用。

技术介绍

[0002]全球能源需求的持续增长，传统煤炭、石油和化石燃料的加速消耗，以及随之而来的环境污染问题，引起了人们在开发替代能源方面的强烈兴趣。特别是地缘政治焦虑和气候威胁的加剧上升，激发人们朝着具备可再生、稳定、环保的良性能源的方向发展。因为具备燃烧零排放和高能量密度等优点，氢能被认为是一种可取代传统化石燃料的理想绿色能源之一。电解水制氢是一种有效的生产氢燃料的方法，但是需要高性能的电解水催化剂来加快氢释放反应（HER）并降低电能消耗。目前，铂基材料被认为最高效的电催化剂，但其高昂成本和不可再生的特点限制了它们的广泛应用。因此，迫切需要探索开发低成本、高效、稳定的铂基替代电催化剂。
[0003]原则上，如果一个催化剂具有优秀的析氢催化活性，那么可能来自以下四个方面中的一个或多个方面：（1）催化剂中存在大量的活性中心；（2）反应中间体与活性位点适当的结合能力，使催化剂本身具有良好的内在活性；（3）在催化剂表面和电解液之间，反应物（H
+
/H2O）和产物（H2/OH
‑
）发生了快速的传质反应；（4）由催化剂制成的电极具有优秀的导电性。在过去的几十年中，许多过渡金属基催化剂被认为是贵金属析氢催化剂的理想替代品，其中包括过渡金属基合金，化合物（例如，氧化物，氢氧化物，硫化物，碳化物，硒化物和磷化物）。在这些材料中，具备出色的导电性金属合金吸引了许多研究者的关注，被认为是贵金属催化剂的理想候选材料。但是，合金在催化析氢反应中的耐久性比较差，尤其是在强碱性电解液和高电位等恶劣环境下。因此，开发低成本、制备流程简单、高效的碱性产氢电催化剂仍然有较大的挑战。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术目的是提供一种碳纤维基纳米钴钼合金催化剂的制备方法及应用，通过脉冲电沉积一步即可得到目标产物，操作简单，生产成本低，易实现规模化。
[0005]本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法，如下：碳基导电材料为工作电极，碳棒为对电极，饱和氯化银电极（Ag/AgCl）为参比电极，采用常规脉冲伏安法在标准三电极体系中进行一步电沉积，得到碳纤维负载纳米钴钼合金析氢电极；其中，电解液的成分包括钴源和钼源。
[0006]进一步的，碳基导电材料为碳布、碳纤维纸或碳毡。
[0007]进一步的，所述钴源为可溶于水的钴盐，所述钼源为可溶于水的钼盐。
[0008]进一步的，所述钴源为硫酸钴、氯化钴、乙酸钴或者硝酸钴，所述钼源为钼酸钠、钼
酸铵或者钼酸钾。
[0009]进一步的，钴离子的浓度为0.1~0.5mol/L，钼离子的浓度为0.03~0.07mol/L，电解液的pH为5~6。
[0010]进一步的，脉冲电沉积温度为20~60℃，脉冲电沉积的时间为300~1800s，电沉积电压区间为
‑
1.2~
‑
1.8V。
[0011]进一步的，将碳基导电材料在马弗炉中进行高温热处理，以改善碳纤维纸对电镀电解液的亲水性，碳纤维纸的预处理方法为：将碳纤维纸放入马弗炉600℃热处理3小时。碳布和碳毡的预处理方法为：将碳布或者碳毡在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗30min。
[0012]进一步的，电解液的pH采用氢氧化钠和柠檬酸钠调制。
[0013]所述碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的最佳制备方法如下：电镀电解液的配制：称取分析纯硫酸钴、钼酸钠、氢氧化钠和柠檬酸钠固体配制混合溶液，其中0.3mol/L硫酸钴、0.05mol/L钼酸钠、0.03mol/L氢氧化钠和0.3mol/L柠檬酸钠；脉冲电沉积制备：使用三电极体系的电化学工作站，将热处理后的碳纤维纸作为工作电极，碳棒为对电极，饱和氯化银电极（Ag/AgCl）为参比电极，采用常规脉冲伏安法在标准三电极体系中进行电沉积；脉冲电沉积工艺的电镀参数为：温度为25℃，起始电位
‑
1.2V，终点电位
‑
1.6V，电位增量0.02V，电沉积时间为900s。
[0014]其最佳条件下制备的碳纤维负载纳米钴钼合金阴极析氢催化剂在电解水阴极析氢反应中的应用，电催化的反应条件为：反应温度为25℃，电解液为1M KOH（pH=13.6），电催化水裂解析氢仅需80mV的电势，便可使所组成碱性电解池达到电流密度10mA cm
‑2，塔菲尔斜率为45.5mV dec
‑1，且性能稳定；电催化稳定性测试条件：反应温度为25℃，达到电流密度10mA cm
‑2，可以持续79小时。
[0015]本专利技术具有如下优点：1、电沉积操作简单，制备周期短，生产成本低，重复性好，易实现规模化。
[0016]2、碳基底导电材料具有化学稳定性好、抗腐蚀、导电能力优秀的特点。碳纤维负载的纳米钴钼合金析氢电极，可以直接用作电解水产氢的工作电极，避免使用全氟磺酸
‑
聚四氟乙烯共聚物（Nafion）等粘结剂，不但提高了析氢催化剂的机械稳定性和电子传输速度，又降低了电能损耗和析氢电极制造成本。
[0017]3、相比于传统直流电沉积，采用脉冲电沉积法制备钴钼纳米合金，可以提高镀层的耐腐蚀性和附着力，从而使镀层更加细致均匀，增强钴钼合金催化剂的催化活性的稳定性。
[0018]4、本专利技术的碳纤维负载纳米钴钼合金材料，在碱性条件下具备出杰出的析氢催化活性。
[0019]本专利技术利用脉冲电沉积制备析氢电极，得到一种无需粘结剂的碳纤维负载析氢催化剂，其催化活性高、比表面积大，能够在碱性条件下长时间保持自身的微观结构和良好的催化活性，在电催化产氢方面具有潜在的工业应用价值。
[0020]本专利技术设计合理，该方法是一种简便的非贵金属合金的制备方法，同时扩充了非贵金属合金作为阴极析氢催化剂的种类。
附图说明
[0021]图1表示实施例1中获得的碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂样品的XRD谱图。
[0022]图2A表示实施例1中获得的热处理后的碳纤维纸的SEM照片（2μm）。
[0023]图2B表示实施例1中获得的热处理后的碳纤维纸的SEM照片（5μm）。
[0024]图2C表示实施例1中获得的热处理后的碳纤维纸的SEM照片（20μm）。
[0025]图3A表示实施例1中获得的碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂样品的SEM照片（2μm）。
[0026]图3B表示实施例1中获得的碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂样品的SEM照片（5μm）。
[0027]图3C表示实施例1中获得的碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂样品的SEM照片（10μm）。
[0028]图4表示实施例1中获得的碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂样品的EDX mapping图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法，其特征在于：碳基导电材料为工作电极，碳棒为对电极，饱和氯化银电极为参比电极，采用常规脉冲伏安法在标准三电极体系中进行一步电沉积，得到碳纤维负载纳米钴钼合金析氢电极；其中，电解液的成分包括钴源和钼源。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法，其特征在于：碳基导电材料为碳布、碳纤维纸或碳毡。3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法，其特征在于：所述钴源为可溶于水的钴盐，所述钼源为可溶于水的钼盐。4.根据权利要求3所述的一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法，其特征在于：所述钴源为硫酸钴、氯化钴、乙酸钴或者硝酸钴，所述钼源为钼酸钠、钼酸铵或者钼酸钾。5.根据权利要求4所述的一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法，其特征在于：钴离子的浓度为0.1~0.5mol/L，钼离子的浓度为0.03~0.07mol/L，电解液的pH为5~6。6.根据权利要求5所述的一种碳纤维负载纳米钴钼合金催化剂的制备方法，其特征在于：脉冲电沉积温度为20~60℃，脉冲电沉积的时间为300~1800s，电沉积电压区间为
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1.2~
‑
1.8V。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：弓亚琼，林雨，叶磊，张叶青，张美琳，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：