一种铂掺杂催化剂电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电催化剂技术领域，具体涉及一种铂掺杂催化剂电极及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的铂掺杂的催化剂电极，以镍网为基体，基体上负载Ni(OH)2纳米线/片复合物作为载体，载体上掺杂不高于0.06 mg/cm2的Pt。本发明专利技术通过Pt掺杂和Ni(OH)2复合纳米结构的协同效应优化催化剂电极整体的HER/OER催化活性和催化反应速率，降低反应能耗。该电极在碱性水电解槽中表现出超过商业贵金属组合Pt/C@NM || RuO2@NM的实际电解水性能。@NM的实际电解水性能。@NM的实际电解水性能。

【技术实现步骤摘要】
一种铂掺杂催化剂电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电催化剂
，具体涉及一种铂掺杂催化剂电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着社会的快速发展，能源短缺越来越严峻，对新能源的探索与研究迫在眉睫。太阳能、风能等环境友好型清洁能源研究基础雄厚，但这些能源的使用受到季节性、地域性、波动性等外界因素的严重制约。氢能源由于其燃烧热值高、来源广和无污染等特点，作为一种二次能源存储能量有极其广阔的应用前景。
[0003]水分解产绿氢是制备氢能源最理想的方式，整个水分解反应由析氢反应（HER）和析氧反应（OER）两个半反应组成。但高反应能垒导致了较低的HER、OER反应动力学，需要消耗更多能量来推动反应。其中Pt被证明是HER最理想催化剂，但高成本限制了其广泛应用。目前实验室研究水分解催化剂多是基于泡沫镍（NF）基底，独特的三维结构和网络状的开放通道可以带来良好的催化活性，可是极低的韧性以及装备后较大的接触阻抗大大限制了其组装在电解槽中的实际应用。目前的工业催化剂出于机械强度和循环稳定性考量多使用（NM），但其较高的过电势和较低的能量效率导致氢气制备过程中较大的能量损耗。
[0004]而且采用少量掺杂Pt的方式，既可以控制住成本，也能大大提高电极性能。但Pt往往需要使用粘结剂（如Nafion）与基底结合，会导致催化剂活性位点的损失，影响电极的催化活性和催化反应速率。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的Pt掺杂催化剂电极中的Pt通过粘结剂与基底结合，容易导致催化剂活性位点的损失，影响电极的催化活性和催化反应速率等缺陷，从而提供一种铂掺杂的催化剂电极及其制备方法和应用。
[0006]本专利技术所采取的技术方案具体如下：本专利技术提供了一种铂掺杂催化剂电极，所述催化剂电极以镍网为基体，基体上负载Ni(OH)2纳米线/片复合物作为载体，载体上掺杂不高于0.06 mg/cm2的Pt。
[0007]优选的，所述Pt为纳米颗粒；和/或，所述Pt的掺杂量为0.04
‑
0.06 mg/cm2。
[0008]本专利技术还提供一种上述所述的铂掺杂催化剂电极的制备方法，包括以下步骤：1）将NiCl2、尿素和水混合，得到混合溶液；2）将镍网浸入步骤1）中的混合溶液中，进行水热反应，冷却，洗涤、干燥，得到所述载体；3）通过电化学沉积在骤2）中的载体表面沉积Pt，得到所述铂掺杂催化剂电极（Pt
‑
Ni(OH)2@NM）。
[0009]优选的，步骤1）中NiCl2与尿素的摩尔比为1：（3
‑
5）；
和/或，所述NiCl2与水的用量比为1：（20
‑
30），单位为mol/L。
[0010]可选的，步骤1）各组分只要混合均匀即可，例如可经过磁力搅拌20min获得均匀的混合溶液，混合溶液为透明的绿色混合溶液。
[0011]优选的，步骤2）中所述水热反应的反应温度为110
‑
130℃，反应时间为5
‑
6 h；水热反应在聚四氟乙烯反应釜内衬中进行，然后自然冷却至室温；所述镍网的顶面被聚四氟乙烯胶带覆盖，使得产物在镍网的另一面沉积。
[0012]优选的，步骤3）中电化学沉积的具体操作为：将步骤2）中的载体作为工作电极，氧化汞电极作为参比电极，碳棒作为对电极，组装成三电极系统置于碱性含Pt
+4
的电解液中进行电化学沉积。
[0013]优选的，步骤3）中所述碱性含Pt
+4
的电解液为1
‑
1.2 M KOH水溶液中包含有浓度为15
‑
20 μM的H2PtCl6；和/或，所述电化学沉积选用循环伏安法，扫描速率为40
‑
60 mV/s，电压范围
‑
0.5
‑
0 V，循环周期为40
‑
50周。
[0014]优选的，步骤2）中所述洗涤的溶剂依次为水、乙醇；先用去离子水清洗再用乙醇清洗；和/或，洗涤次数分别为3
‑
5次；和/或，所述干燥温度为60
‑
80℃，干燥时间为12
‑
24 h；可选但不限于真空干燥。
[0015]优选的，步骤2）中所述镍网预先经过清洗处理；和/或，所述镍网依次经过丙酮、乙醇、去离子水、盐酸水溶液和去离子水清洗；和/或，盐酸水溶液的浓度为2
‑
3 M HCl；和/或，清洗为超声清洗，每种溶剂清洗时间为10
‑
20 min。
[0016]可选的，镍网清洗处理后干燥，典型非限定性的，在60℃真空干燥箱中干燥12 h。
[0017]本专利技术还提供一种上述所述的铂掺杂催化剂电极或由上述所述方法制备的铂掺杂催化剂电极在电解水中的应用。
[0018]本专利技术技术方案，具有如下优点：（1）本专利技术提供的铂掺杂催化剂电极，所述催化剂电极以镍网为基体，基体上负载Ni(OH)2纳米线/片复合物作为载体，载体上掺杂不高于0.06 mg/cm2的Pt。本专利技术的镍网基体有助于构建Ni(OH)2纳米线/片复合结构，Ni(OH)2纳米线/片二维材料的特性大大提高了材料整体的表面积，并有利于Pt的负载和锚定，Pt与基底特殊的结合方式对活性位点的提高以及循环寿命的维持有重要作用；本专利技术通过Pt掺杂和Ni(OH)2结构的协同效应共同调节了电极的电荷动力学、电化学活性面积和活性位点的本征活性，从而优化催化剂整体的HER/OER催化活性和催化反应速率，降低反应能耗。本专利技术的催化剂制备的电极电解水性能以及循环寿命优势强，有助于在实际工况中应用。
[0019]（2）本专利技术提供的铂掺杂催化剂电极，掺杂的Pt为纳米颗粒，Pt的掺杂量为0.04
‑
0.06 mg/cm2，进一步限定了Pt的掺杂情况，在降低成本的同时进一步提高了贵金属的利用率，大大提升催化剂电极的电化学活性面积，降低反应能耗。
[0020]（3）本专利技术提供的铂掺杂催化剂电极的制备方法，包括以下步骤：1）将NiCl2、尿素和水混合，得到混合溶液；2）将镍网浸入步骤1）中的混合溶液中，进行水热反应，冷却，洗涤、干燥，得到所述载体；3）通过电化学沉积在骤2）中的载体表面沉积Pt，得到铂掺杂催化
剂电极。本专利技术通过水热反应在基底上形成Ni(OH)2纳米线/纳米片结构，纳米线是在水热反应过程中由纳米片卷积形成。同时在Ni(OH)2纳米线/片复合结构上利用电化学沉积Pt，更有利于Pt的有效负载和锚定，提高活性位点，维持循环寿命，整体优化催化剂电极的活性和催化反应速率。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铂掺杂催化剂电极，其特征在于，所述催化剂电极以镍网为基体，基体上负载Ni(OH)2纳米线/片复合物作为载体，载体上掺杂不高于0.06 mg/cm2的Pt。2.根据权利要求1所述铂掺杂催化剂电极，其特征在于，所述Pt为纳米颗粒；和/或，所述Pt的掺杂量为0.04
‑
0.06 mg/cm2。3.一种权利要求1或2所述的铂掺杂催化剂电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将NiCl2、尿素和水混合，得到混合溶液；2）将镍网浸入步骤1）中的混合溶液中，进行水热反应，冷却，洗涤、干燥，得到所述载体；3）通过电化学沉积在骤2）中的载体表面沉积Pt，得到铂掺杂催化剂电极。4.根据权利要求3所述的铂掺杂催化剂电极的制备方法，其特征在于，步骤1）中NiCl2与尿素的摩尔比为1：（3
‑
5）；和/或，所述NiCl2与水的用量比为1：（20
‑
30），单位为mol/L。5.根据权利要求3或4所述的铂掺杂催化剂电极的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述水热反应的反应温度为110
‑
130℃，反应时间为5
‑
6 h。6.根据权利要求3或4所述的铂掺杂催化剂电极的制备方法，其特征在于，步骤3）中电化学沉积的具体操作为：将步骤2）中的载体作为工作电极，氧化汞电极作为参比电极，碳棒作为对电极，组装成三电极系统置于碱性含Pt
+4
的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张君宇，杨福源，朱效宏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：