一种铂边缘修饰镍基纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铂边缘修饰镍基纳米材料及其制备方法和应用，属于电解水制氢的催化剂技术领域。本发明专利技术以硝酸镍为前驱体制备二维镍基纳米材料，采用乙二醇为还原剂，获得铂纳米颗粒原位负载到二维镍基材料边缘的复合材料。该复合材料中，镍基二维纳米材料可以吸附溶液中的氧/羟基，铂纳米颗粒可以有效吸附水中的氢，同时加速电催化析氢反应动力学，加快电催化产氢速率，并实现产氢的效率的提升。本发明专利技术还通过密度泛函理论计算了复合材料的析氢反应路径。本发明专利技术提供的铂边缘修饰镍基纳米材料可作为电催化分解水制氢的催化剂，并且该材料的制备工艺简单、催化性能优异、在电催化产氢领域具有广阔的应用前景。产氢领域具有广阔的应用前景。产氢领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种铂边缘修饰镍基纳米材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电催化分解水
，具体涉及一种铂边缘修饰镍基纳米材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氢氧燃料电池是具有能量转化效率高、功率密度高、低温性能好、环境友好等优点，其电极反应包括阴极氧还原反应和阳极氢氧化反应。电解水产氢是氢气的一种重要来源，但是它具有复杂的反应路径、较高的活化能垒，这需要使用催化剂来加速缓慢的析氢动力学。催化剂的催化效率与析氢反应的机理密切相关。在酸性介质中，析氢反应机理(H
+
→
c
‑
H)只涉及氢的吸附和脱附反应。当前研究报道表明：不同金属在相同电解质溶液中的析氢反应活性与氢吸附能(ΔG
H*
)之间存在着火山型关系曲线，最优的催化活性出现在ΔG
H*
接近于0V的位置，因此铂(Pt)具有最优的电催化析氢反应活性。在碱性介质中，析氢反应(H2O+2e
‑
→
H2+2OH
‑
)有水分子参与，其催化机理涉及氢和羟基的吸附能。碱性介质中的析氢反应机理存在两种观点：(1)析氢动力学只与氢吸附能有关，即氢吸附能理论；(2)析氢动力学与氢和羟基的吸附都有关系，即双功能机理。目前，碱性介质中的析氢反应活性与电极材料对氢和羟基的吸附强度之间的关系规律尚不明晰。在此背景下，急需开发一种电催化材料，在提升其电催化产氢效率的同时，研究其产氢机制，为高效稳定、成本低廉析氢电池催化剂的设计合成和规模化应用奠定理论和技术基础。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的问题，本专利技术要解决的第一个技术问题在于提供一种铂边缘修饰镍基纳米材料及其制备方法。本专利技术要解决的第二个技术问题在于提供前述铂边缘修饰镍基纳米材料在电催化分解水产氢领域中的应用，在全pH值范围内具有优异的电催化产氢效率。本专利技术要解决的第三技术问题在于提供铂边缘修饰镍基纳米材料在碱性条件下的电解水反应机理。
[0004]为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0005]一种铂边缘修饰镍基纳米材料的制备方法：分别配置硝酸镍水溶液和尿素水溶液，混合后加入乙二醇溶液，加入反应釜中采用溶剂热法制备得到镍基纳米材料；再分别配置镍基纳米材料和氯铂酸的乙二醇溶液，然后混合并搅拌均匀，油浴加热，冷却后将产物洗涤干燥即得铂边缘修饰镍基纳米材料。
[0006]进一步地，氯铂酸中铂和镍基纳米材料的质量比为1
‑
5wt.％。
[0007]进一步地，所述铂边缘修饰镍基纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)分别配置硝酸镍水溶液和尿素水溶液；
[0009](2)将步骤(1)所配置的硝酸镍水溶液和尿素水溶液混合；
[0010](3)将乙二醇溶液加入(2)中的混合溶液中，搅拌至澄清；
[0011](4)将(3)中得到的混合溶液置于反应釜中，在160℃的条件下溶剂热12小时，待冷
却至室温后，将其用水和乙醇洗涤，离心干燥得到镍基纳米材料。
[0012](5)将(4)中的镍基纳米材料和氯铂酸分别配置乙二醇溶液；
[0013](6)将步骤(5)所配置的氯铂酸溶液和镍基纳米材料乙二醇溶液混合，在磁力搅拌和超声的作用下形成均匀的前驱体溶液；
[0014](7)将(6)中的前驱体混合溶液置于圆底烧瓶中，在120℃油浴条件下加热搅拌2小时，待冷却至室温后，将其用水和乙醇洗涤，离心干燥得到铂边缘修饰镍基纳米材料。
[0015]进一步地，所述硝酸镍水溶液制备方法为：将0.2900
‑
0.3000g Ni(NO3)2·
6H2O加入4mL去离子水中，高速搅拌至完全溶解，得到硝酸镍水溶液。
[0016]进一步地，所述尿素水溶液制备方法为：将0.3600
‑
0.3610g尿素加入4mL去离子水中，高速搅拌至完全溶解，得到尿素水溶液。
[0017]进一步地，所述硝酸镍水溶液、尿素水溶液和乙二醇溶液按1∶1∶7的体积比混合，置于反应釜中进行溶剂热反应。
[0018]进一步地，所述氯铂酸乙二醇溶液制备方法为：0.77
‑
0.79mL H2PtCl6(ρ
Pt
：6.38
‑
6.40mg mL
‑1)溶液倒入95mL乙二醇溶液中，搅拌均匀，得到氯铂酸乙二醇溶液。
[0019]进一步地，所述镍基纳米材料乙二醇溶液制备方法为：将95mg镍基纳米材料溶解到95mL乙二醇溶液中，搅拌均匀，得到镍基纳米材料乙二醇溶液。
[0020]进一步地，所述前驱体溶液制备方法为：将氯铂酸乙二醇溶液和镍基纳米材料乙二醇溶液混合，超声90min，搅拌90min，得到前驱体溶液。
[0021]上述任一制备方法得到的铂边缘修饰镍基纳米材料。
[0022]所述的铂边缘修饰镍基纳米材料在电解水产氢中作为催化剂的应用。
[0023]有益效果：与现有的技术相比，本专利技术的优点包括：
[0024](1)本专利技术以硝酸镍为前驱体制备二维镍基纳米材料，采用乙二醇为还原剂，通过一定条件的制备方法，获得一种铂纳米颗粒原位负载于二维镍基材料边缘的复合材料，该种结构复合材料中铂的载量大大降低，以更低的成本实现了较高的产氢催化效益；
[0025](2)本专利技术复合材料中的二维镍基纳米材料可以吸附溶液中的氧/羟基等，从而降低水分解所需的活化能，而铂纳米颗粒可以有效吸附水中的氢，同时加速电催化析氢反应动力学，加快电催化产氢速率，从而在全pH范围内实现高效的产氢；
[0026](3)本专利技术复合材料制备工艺简单、催化性能优异、在电催化产氢领域具有广阔的应用前景。
附图说明
[0027]图1为本专利技术NHC
‑
Pt
‑
3纳米材料的结构表征图：纳米材料在20nm(1a)的透射电镜图；纳米材料在5nm(1b)的高分辨透射电镜图；纳米材料的EDS元素图，包括C、Ni、O、Pt(1c)；
[0028]图2为本专利技术NHC
‑
Pt
‑
3、NHC和Pt/C材料中(2a)Ni 2p，(2b)Pt 4f，(2c)C 1s和(2d)O 1s的X射线光电子能谱图；NHC
‑
Pt
‑
3和Pt
‑
foil材料的Pt L
‑
边(2e)XANES和(2f)EXAFS谱图；
[0029]图3为本专利技术(3a)不同纳米材料在1M KOH溶液中的电催化析氢性能测试图；(3b)不同材料的Tafel性能曲线图；(3c)不同纳米材料在0.5M H2SO4溶液中的电催化析氢性能测试图；(3d)不同纳米材料在1M PBS溶液中的电催化析氢性能测试图；(3e)不同催化剂在
50mV条件下的质量活性对比图；(3f)NHC
‑
Pt...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铂边缘修饰镍基纳米材料的制备方法，其特征在于：分别配置硝酸镍水溶液和尿素水溶液，混合后加入乙二醇溶液，加入反应釜中采用溶剂热法制备得到镍基纳米材料；再分别配置镍基纳米材料和氯铂酸的乙二醇溶液，然后混合并搅拌均匀，油浴加热，冷却后将产物洗涤干燥即得铂边缘修饰镍基纳米材料。2.根据权利要求1所述铂边缘修饰镍基纳米材料的制备方法，其特征在于，氯铂酸中铂和镍基纳米材料的质量比为1
‑
5wt.％。3.根据权利要求2所述铂边缘修饰镍基纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别配置硝酸镍水溶液和尿素水溶液；(2)将步骤(1)所配置的硝酸镍水溶液和尿素水溶液混合；(3)将乙二醇溶液加入(2)中的混合溶液中，搅拌至澄清；(4)将(3)中得到的混合溶液置于反应釜中，在160℃的条件下溶剂热12小时，待冷却至室温后，将其用水和乙醇洗涤，离心干燥得到镍基纳米材料。(5)将(4)中的镍基纳米材料和氯铂酸分别配置乙二醇溶液；(6)将步骤(5)所配置的氯铂酸溶液和镍基纳米材料乙二醇溶液混合，在磁力搅拌和超声的作用下形成均匀的前驱体溶液；(7)将(6)中的前驱体混合溶液置于圆底烧瓶中，在120℃油浴条件下加热搅拌2小时，待冷却至室温后，将其用水和乙醇洗涤，离心干燥得到铂边缘修饰镍基纳米材料。4.根据权利要求3所述铂边缘修饰镍基纳米材料的制备方法，其特征在于，所述硝酸镍水溶液制备方法为：将0.2900...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖卫平，闫大强，王彩琴，张玉，杨小飞，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：