一种碳载小颗粒纳米金属铼催化剂的制备及其在电解水制氢中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种制备碳载小颗粒金属铼催化剂的方法，是将铼源溶解在水

【技术实现步骤摘要】
一种碳载小颗粒纳米金属铼催化剂的制备及其在电解水制氢中的应用


[0001]本专利技术涉及一种纳米金属铼催化剂的制备，尤其涉及一种碳载小颗粒纳米金属铼催化剂的制备，主要用于催化电解水制氢反应中，属于复合材料领域和电解水制氢反应


技术介绍

[0002]化石燃料的大量开采与燃烧带来了严重的能源危机与环境问题，新能源的开发与利用已经成为势在必行的解决方案。氢气作为一种高效、清洁的能源，是一种非常理想的燃料。利用电催化技术进行电解水制备氢气是目前比较广泛的一种手段，需要高效的催化剂促进水的解离过程，促进氢气的产出。现有的析氢催化剂如铂碳催化剂价格昂贵，限制了大规模的应用与推广。
[0003]过渡金属分布广泛、价格相对低廉，过渡金属基催化剂因此具有极大的开发潜力。目前对于过渡金属基催化剂的研究十分广泛，如镍、钴、钨、钼等。铼基催化剂同样是一种极具潜力的过渡金属催化剂。但是纯的金属铼块体电催化析氢性能较差，利用碳载体可获得铼/碳混合物，但其性能仍然有所欠缺，存在一定的提升空间。小颗粒的纳米金属铼会表现出更好的催化能力，但小颗粒纳米材料的制备过程难以控制，以二硫化铼为例，其制备过程需要精确的人工控制，难以在短时间内快速的、简捷地实现（Nano Energy, 2019,58:660
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668）复杂耗时。因此，快速便捷的制备小颗粒纳米金属铼是一项急需的技术，且可以极大的拓展铼基催化剂的现实应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种碳载小颗粒金属铼催化剂的制备方法，通过吸附
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闪烧两步法，实现碳载金属铼纳米小颗粒的简便、快捷制备，以克服传统金属铼小颗粒制备过程复杂的问题；本专利技术的另一目的是对上述碳载小颗粒金属铼催化剂催化电解水制氢的性能进行研究，以拓展其应用。
[0005]一、碳载小颗粒金属铼催化剂的制备本专利技术制备碳载小颗粒金属铼催化剂的方法，先将铼源溶解在水
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乙醇的混合溶液中，再将碳材料分散在混合溶液中，并于75~85℃的下搅拌10~12h；反应产物经洗涤、冻干，获得前驱体材料；然后将前驱体材料平铺在两层碳纸之间，并固定在闪烧炉中，通入保护气体后，设置通电时间3~10s，工作电流10~20mA，目标温度800~1200℃；闪烧结束后即得碳载小颗粒纳米金属铼催化剂，标记为Re/CNTs。
[0006]所述铼源为五氯化铼、高铼酸铵、二硫化铼等；所述碳材料为碳纳米管、碳纳米笼、氧化石墨烯等；铼源与碳材料的质量比为7:1~14:1。
[0007]所述水
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乙醇的混合溶液中，乙醇的体积百分数为89~91%。
[0008]所述干燥采用冻干或55~65℃真空烘干。
[0009]所述保护气体为氩气、氮气。
[0010]图1为所制得碳纳米管负载小颗粒铼金属Re/CNTs催化剂的TEM图。由TEM可见，深黑色小颗粒生长在碳纳米管之上，小颗粒直径最小可达5nm左右。
[0011]图2为所制备碳纳米管负载小颗粒铼金属Re/CNTs催化剂的XRD图。XRD图可以看出，催化剂中的金属颗粒为铼金属。
[0012]二、碳载小颗粒金属铼催化剂的催化活性将催化剂Re/CNTs（yi实施例1制备）涂于工作电极之上，于溶剂液相环境下通入电流进行催化制氢反应，溶剂为0.5摩尔/升的硫酸溶液或者1摩尔/升的氢氧化钾溶液。
[0013]图3为Re/CNTs催化剂催化活性与稳定性测试结果。由图3可知，催化剂Re/CNTs在酸性环境中，10mA/cm2电流密度下，过电势为99mV，具有优异的催化活性。在碱性环境下，电流密度10mA/cm2时为89mV，表明其碱性环境下得催化活性更好，并且在10000次循环后仍呈现极小的性能衰减，证明催化剂稳定性良好。
[0014]综上所述，本专利技术利用碳材料为载体，吸附铼金属源之后，在闪烧炉中快速闪烧，在秒级时间尺度内实现前驱体向催化剂的快速转换，获得了碳载小颗粒纳米金属铼催化剂，制备工艺简单、快捷，避免了传统制备方法难操作、耗时、复杂的问题；而且制备的催化剂用于水解制氢反应中，具有优秀的催化性能与良好的稳定性。
附图说明
[0015]图1为碳纳米管负载小颗粒铼金属Re/CNTs催化剂的TEM图。
[0016]图2为碳纳米管负载小颗粒铼金属Re/CNTs催化剂的XRD物相表征。
[0017]图3为碳纳米管负载小颗粒铼金属Re/CNTs催化剂的催化活性与稳定性测试结果。
具体实施方式
[0018]下面通过具体实施例对本专利技术催化剂Re/CNTs的制备及其在水解制氢反应的活性作进一步说明。
[0019]实施例1取90mg五氯化铼溶于20ml乙醇与2ml水的混合溶液中，取8mg碳纳米管分散于溶液中。80℃油浴搅拌过夜。洗涤冻干。得到约20mg前驱体；取5mg前驱体平铺于碳纸之上，盖上另一张碳纸，将夹有前驱体的双层碳纸置于闪烧炉内腔的平台上固定住。在氩气氛围保护下，设置工作电流14mA、目标温度800℃、通电时间4s。4s后得到碳纳米管负载的小颗粒纳米金属铼催化剂Re/CNTs；将催化剂Re/CNTs涂于工作电极之上，在0.5摩尔/升的硫酸溶液相环境下通入电流进行催化制氢反应，10mA/cm2电流密度下，过电势为99 mV；在1摩尔/升的氢氧化钾溶液相环境下通入电流进行催化制氢反应，10mA/cm2电流密度下，过电势为89 mV。
[0020]实施例2取70mg五氯化铼溶于20ml乙醇与2ml水的混合溶液中，取8mg碳纳米管分散于溶液中。80℃油浴搅拌过夜。洗涤冻干。取5mg前驱体夹在两片碳纸之间，在氩气氛围保护下，设置工作电流14mA、目标温度800℃、通电时间4s。得到实施例2。在酸性环境中，10mA/cm2电流
密度下，过电势为136mV。在碱性环境下，电流密度10mA/cm2时为113mV。
[0021]实施例3取90mg五氯化铼溶于20ml乙醇与2ml水的混合溶液中，取8mg氧化石墨烯分散于溶液中。80℃油浴搅拌过夜。洗涤冻干。取5mg前驱体夹在两片碳纸之间，在氩气氛围保护下，设置工作电流14mA、目标温度800℃、通电时间4s。得到实施例3。在酸性环境中，10mA/cm2电流密度下，过电势为117mV。在碱性环境下，电流密度10mA/cm2时为103mV。
[0022]实施例4取90mg五氯化铼溶于20ml乙醇与2ml水的混合溶液中，取8mg碳纳米管分散于溶液中。80℃油浴搅拌过夜。洗涤并在60℃真空干燥箱中烘干。取5mg前驱体夹在两片碳纸之间，在氩气氛围保护下，设置工作电流14mA、目标温度800℃、通电时间4s。得到实施例4。在酸性环境中，10mA/cm2电流密度下，过电势为101mV。在碱性环境下，电流密度10mA/cm2时为93mV。
[0023]实施例5取60mg高铼酸铵溶于20ml乙醇与2ml水的混合溶液中，取8mg碳纳米管分散于溶液中。80℃油浴搅拌过夜。洗涤冻干。取5mg前驱体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳载小颗粒金属铼催化剂的制备方法，先将铼源溶解在水
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乙醇的混合溶液中，再将碳材料分散在混合溶液中，并于75~85℃的下搅拌10~12h；反应产物经洗涤、干燥，获得前驱体材料；然后将前驱体材料平铺在两层碳纸之间，并固定在闪烧炉中，通入保护气体后，设置通电时间3~10s，工作电流10~20mA，目标温度800~1200℃；闪烧结束后即得碳载小颗粒纳米金属铼催化剂。2.如权利要求1所述一种碳载小颗粒金属铼催化剂的制备方法，其特征在于：所述铼源为五氯化铼、高铼酸铵、二硫化铼。3.如权利要求1所述一种碳载小颗粒金属铼催化剂的制备方法，其特征在于：所述碳材料为碳纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：何林，黄洋，钟港，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：