一种纳米级电催化剂的制备方法技术

本发明专利技术属于纳米领域，公开了一种纳米级电催化剂的制备方法。本发明专利技术通过超声辅助氧化技术和气相传输反应技术联用，在特定结构的蒸笼中制备出的纳米级电解催化剂具备超薄超小的纳米片结构，表现出大比表面积，多层异质结构，具备高效电催化和长时间电催化水分解的稳定结构。本发明专利技术合成的催化剂不仅有优异的电解水析氧活性，而且在电解水析氢测试中也展示出优异的活性，在电解水制氢产业化中具有重要意义。同时本合成方法具有工艺简单，反应温度低，原料浪费少，易于放大的优点，有利于实现电催化剂的工业化生产。化剂的工业化生产。化剂的工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米级电催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于纳米领域，涉及一种纳米级电催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]目前，随着国家能源改革的多路发展战略，碳中和目标的确立，例如光伏，风能，氢能等各种新型能源的发展正在迈入新的发展历程中，另一方面新能源由于时效性，地域性等因素的限制，需要规模化发展带动储能需求的快速提升。氢燃料电池从长远来看更被认为优于锂电池等，据预计到2030年，全球燃料电池汽车达到1000万至1500万辆，2050年，氢的需求将是目前的10倍。氢气的制备目前主要依靠工业副产，煤化工制氢等，但电解水被认为是未来最具前景的制氢方式，其中电催化剂的研究是解决电解水产氢迈向产业化的重要一步。电催化领域中，纳米催化剂的合成一直是研究的热点问题之一，特别是在金属基底材料上原位合成催化剂时，难以同时满足高催化活性和稳定性。众所周知，一般较小尺寸的纳米材料具备更大的比表面积，具备异质结构等复杂结构的复合材料具备更高的催化活性，这主要都源自材料具备的高活性位点数，导电性，传质能力和亲水疏气性等。目前常用化学液相法或电化学沉积等方法合成结构复杂的复合催化剂材料，常用的这些方法存在产量低，影响因素多，成本高等难以实现规模化生产。例如，用水热法合成纳米级电催化剂时，所有参加反应的盐溶解在同一溶液里，在基底材料上进行原位合成反应后，存在大量沉积物，浪费了大量资源，不利于经济成本。
[0003]因此，亟需一种解决现有方法(电沉积，化学液相沉积)不足，合成应用于精细化工行业具备多样性结构的超薄超小结构纳米材料，包括过渡金属氧化物、氢氧化物、层状双金属氢氧化物、金属有机框架材料等，特别需要一种可以在泡沫镍、泡沫镍铁、泡沫铜、泡沫钴等金属基底上原位合成上述材料的技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术说明书中的术语“超声辅助氧化反应”是指借助超声波促进氧化反应的发生，同时增加反应的均一性，可提高生产效率；
[0005]本专利技术说明书中的术语“气相传输反应”是指在一个密闭体系中，有气相物质提供反应发生的条件，且气相条件持续不断参与反应。
[0006]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用超声辅助氧化技术和气相传输反应技术联用制备纳米级电催化剂的方法，其通过如下技术方案得以实现：
[0007]一种纳米级电催化剂的制备方法，所述纳米级电催化剂的制备方法需要在含有特定结构内衬的蒸笼中进行，
[0008]所述特定结构内衬的结构，包括：
[0009]上下端开口的圆柱形壁(1)；
[0010]所述圆柱形壁(1)上设有若干孔洞(2)；
[0011]所述圆柱形壁(1)上部嵌有样品台(3)，所述样品台(3)为开孔结构或非开孔结构；
[0012]所述纳米级电催化剂的制备方法包括以下步骤：
[0013]S1.将泡沫金属用酸清洗并超声处理，得到预处理后的泡沫金属；
[0014]S2.将所述预处理后的泡沫金属浸入含氧化性金属离子的水溶液中超声辅助氧化反应，得到中间产物；
[0015]S3.将所述中间产物放在所述特定结构内衬的蒸笼的样品台内，所述内衬底部设置有液体，且内衬底部液相与样品台内固相样品无直接接触；
[0016]S4.对内衬底部液体进行气化，对所述蒸笼内样品进行气相传输反应，得到所述纳米级电催化剂。
[0017]进一步地，步骤S1中，所述泡沫金属选自泡沫镍、泡沫铁、泡沫铜、泡沫钴、或泡沫镍铁。
[0018]进一步地，步骤S2中，所述氧化性金属离子选自铁离子、钴离子、镍离子的一种或多种。
[0019]进一步地，步骤S2中，所述氧化性金属离子水溶液为摩尔比1∶1
‑
6∶1的Co(NO3)2·
6H2O和Fe(NO3)3·
9H2O。
[0020]进一步地，步骤S2中，所述超声辅助氧化反应的温度为10
‑
50℃，反应时间为5
‑
160min。
[0021]进一步地，步骤S3中，所述液体为CO(NH2)2和NH4F的混合液体。
[0022]进一步地，所述CO(NH2)2和NH4F的摩尔比为1∶1
‑
4∶1。
[0023]进一步地，步骤S4中，所述气相传输反应的温度为60
‑
200℃，反应时间为1
‑
24h。
[0024]进一步地，所述特定结构内衬为聚四氟乙烯材质。
[0025]进一步地，所述孔洞(2)的尺寸一致，相邻的所述孔洞(2)之间的间距一致。
[0026]本专利技术的有益效果如下：
[0027]1.本专利技术用超声氧化(UAO)品种生成法和气相传输反应(VPT)组合的材料合成方法(UAO
‑
VPT)合成的纳米级电解催化剂具备超薄超小的纳米片结构，其可调厚度为2
‑
20nm，可调尺寸为20
‑
300nm，表现出大比表面积、多层次组织纳米阵列、异质结构、快速传质的能力和长时间催化水分解的稳定结构。
[0028]2.本专利技术所采用的超声辅助氧化反应是低温或常温下的一步发生的反应，具备简单易操作、反应均一和可实现规模化等优势。
[0029]3.本专利技术合成的催化剂不仅有优异的电解水析氧活性，而且在电解水析氢测试中也展示出优异的活性。用本方法制备的催化剂相比对照实验水热方法(HTT)合成的催化剂催化性能提升60％，稳定性达到150h以上基本不衰减。
[0030]4.气相传输反应同样是一步合成，且液相底物可以循环利用，反应釜的清洗简单，利于环境保护和水资源节约，相比水热法可大量节约反应需要金属盐的量，有利于节约经济成本，在基底上进行原位合成催化剂时，不会产生沉积物，合成的催化剂均一性好，具有适合工业规模化批量生产的优点。
附图说明
[0031]图1为本专利技术实施例1
‑
3中所述特定结构内衬的主视图；
[0032]图2为本专利技术实施例1
‑
3中所述特定结构内衬的立体结构示意图；
[0033]附图说明：1
‑
圆柱形壁；2
‑
孔洞；3
‑
样品台。
[0034]图3为测试例中，本专利技术实施例1UAO
‑
VPT法制备的纳米级电催化剂与对比例HTT法制备的电催化剂的电化学性能比较，
[0035]其中，
[0036]图(a)示出了氢析出反应性能(HER)的阴极极化曲线；
[0037]图(b)示出了氧析出反应性能(OER)的阳极极化曲线；
[0038]图(c)示出了测得的双电层电容(C
dl
)曲线；
[0039]图(d)示出了UAO
‑
VPT法制备的纳米级电催化剂在电流密度为10mA
·
cm
‑2时的OER稳定性测试响应电位曲线。
[0040]图4为测试例中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米级电催化剂的制备方法，其特征在于，所述纳米级电催化剂的制备方法需要在含有特定结构内衬的蒸笼中进行；所述特定结构内衬的结构，包括：上下端开口的圆柱形壁(1)；所述圆柱形壁(1)上设有若干孔洞(2)；所述圆柱形壁(1)上部嵌有样品台(3)，所述样品台(3)为开孔结构或非开孔结构；所述纳米级电催化剂的制备方法包括以下步骤：S1.将泡沫金属用酸清洗并超声处理，得到预处理后的泡沫金属；S2.将所述预处理后的泡沫金属浸入含氧化性金属离子的水溶液中超声辅助氧化反应，得到中间产物；S3.将所述中间产物放在所述含有特定结构内衬的蒸笼的样品台内，所述内衬底部设置有液体，且内衬底部液相与样品台内固相样品无直接接触；S4.对内衬底部液体进行气化，对所述蒸笼内样品进行气相传输反应，得到所述纳米级电催化剂。2.根据权利要求1所述纳米级电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述泡沫金属选自泡沫镍、泡沫铁、泡沫铜、泡沫钴、或泡沫镍铁。3.根据权利要求1所述纳米级电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述氧化性金属离子选自铁离子、钴离子、镍离子的一种或多种。4.根据权利要求1所述纳米级电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世和，洪梅，贾强，高金强，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：