一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂及其制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：S1.向壳聚糖的羧酸溶液中加入镍盐和钴盐，搅拌至溶胶状态后干燥，得到氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂前驱体；所述镍盐和钴盐的质量之和与壳聚糖的质量的比值为(1～1.5)：1；所述镍盐中的Ni与所述钴盐中的Co的摩尔比为(3～7)：(3～7)；S2.将氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂前驱体置于400～600℃条件下热解处理2～5h，得到氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂。本发明专利技术所述氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂用于碱性电解水制氢时具有较高的催化活性和稳定性，可应用于碱性电解水制氢领域中。用于碱性电解水制氢领域中。用于碱性电解水制氢领域中。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电解水制氢领域，更具体地，涉及一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着全球化石能源危机以及温室气体含量的不断增加的现状，人们迫切需要探索清洁和可持续的能源资源，以逐步减少化石能源的使用。氢由于其高的能量密度(142MJ kg
‑1)、较好的利用效率以及生态友好的性质，长期以来被认为是理想的可再生能源载体，所以实现可持续制氢是最具吸引力和竞争力的技术之一。而电解水制氢技术由于其具有零碳排放、高效、可储能，且可与风力，水利等其他可再生能源发电结合，实现能源的循环利用的优势，成为制氢最具有前景的途径之一。通常电解水制氢阴极催化剂主要使用铂碳催化剂，而铂的储存低，造价较高，限制了电解水制氢的大规模工业化应用。
[0003]为解决该问题，中国专利技术专利CN109499596A公开了一种以磷酸化壳聚糖和金属盐为原料，在700～900℃下碳化处理制备金属
‑
氮
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磷掺杂的多孔碳双功能电催化剂的方法，该专利所述催化剂具有优于商业Pt/C催化剂的性能，但在碱性介质下，仍存在催化性能不足的问题(电流密度为10mA
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cm
‑2时，过电位达240mV)。

技术实现思路

[0004]本专利技术的首要目的是克服现有电解水制氢催化剂在碱性介质下催化性能不足的问题，提供一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的制备方法，该方法制备得到的催化剂用于碱性电解水制氢在电流密度为10mA
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cm
‑2时，过电位低于180mV。
[0005]本专利技术的另一目的是提供一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂。
[0006]本专利技术的进一步目的是提供所述氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂在碱性电解水制氢中的应用。
[0007]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0009]S1.向壳聚糖的羧酸溶液中加入镍盐和钴盐，搅拌至溶胶状态后干燥，得到氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂前驱体；所述镍盐和钴盐的质量之和与壳聚糖的质量的比值为(1～1.5)：1；所述镍盐中的Ni与所述钴盐中的Co的摩尔比为(3～7)：(3～7)；
[0010]S2.将氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂前驱体置于400～600℃条件下热解处理2～5h，得到氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂。
[0011]本专利技术通过利用壳聚糖所含的氨基和羟基与钴镍离子的螯合作用，使得材料具有规整的片状形貌；同时，通过控制热解处理温度使金属颗粒具有较小的粒径和良好的分散度，且由于钴和镍本身具有较强的氢吸附能力，因此通过构造镍钴合金进一步优化其电子结构，使其在碱性条件下具有更合适的水分解能力及氢吸附自由能，从而具有较高的碱性电解水制氢的催化活性和稳定性。
[0012]本专利技术所述羧酸选自乙酸、甲酸中的一种或两种。
[0013]本领域常规浓度的羧酸溶液均可用于本专利技术中。优选地，所述羧酸溶液浓度为1～3wt％。更优选为1.25wt％。
[0014]优选地，步骤S1中，所述镍盐选自硝酸镍，所述钴盐选自硝酸钴。经多次试验，专利技术人发现钴盐和镍盐选择对应的硝酸盐时，硝酸根在热解处理过程中产生的二氧化氮和瞬间强压可对碳进行造孔。
[0015]优选地，步骤S1中，所述镍盐和钴盐的质量之和与壳聚糖的质量的比值为(1.1～1.3)：1。更优选为1.24：1。
[0016]优选地，步骤S1中，所述镍盐中的Ni与所述钴盐中的Co的摩尔比为(5～7)：(3～5)。
[0017]更优选地，步骤S1中，所述镍盐中的Ni与所述钴盐中的Co的摩尔比为7:3。
[0018]优选地，步骤S1中，所述搅拌温度为50～100℃，搅拌速率为500～900rpm/min。
[0019]更优选地，步骤S1中，所述搅拌温度为80℃，搅拌速率为800rpm/min。
[0020]优选地，步骤S1中，所述干燥温度为40～100℃，时间为8～24h。
[0021]更优选地，步骤S1中，所述干燥温度为50℃，所述干燥时间为12h。
[0022]优选地，步骤S2中，所述热解处理温度450～550℃，时间为2～3h。
[0023]更优选地，步骤S2中，所述热解处理温度500℃，时间为2h。
[0024]本专利技术所述热解处理气氛为氮气气氛，氮气流量为50～200ml/min。
[0025]本专利技术还提供一种由上述方法制备得到的氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂。
[0026]本专利技术所述氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂，其形貌为片状结构，厚度为15～20nm，金属以颗粒状均匀嵌在碳层中，所述颗粒大小为5～10nm。较小的金属颗粒及分散度将为催化反应提供更多的活性位点。
[0027]本专利技术还提供氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂在碱性电解水制氢中的应用。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0029]本专利技术提供了一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的制备方法，所述方法通过利用壳聚糖与镍盐和钴盐的螯合作用，使得氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂呈规整的片状形貌；同时，通过控制热解处理温度使金属颗粒具有较小的粒径和良好的分散度，且镍钴合金结构由于具有优化后的电子结构，使其具有更合适的水分解能力及氢吸附自由能，从而具有较高的碱性电解水制氢的催化活性和稳定性。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实施例1提供的氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的XRD图谱；
[0031]图2为本专利技术实施例1提供的氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的扫描电镜图谱；
[0032]图3为本专利技术实施例1提供的氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的透射电镜图谱；
[0033]图4为本专利技术实施例1～3提供的氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂在1M KOH溶液中的线性扫描伏安曲线图。
[0034]图5为本专利技术实施例1提供的氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的稳定性测试曲线图。
具体实施方式
[0035]为了更清楚、完整的描述本专利技术的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本专利技术，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术，可以在本专利技术权利限定的范围内进行各种改变。
[0036]实施例1
[0037]本实施例提供一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的制备方法，具体步骤如下：
[0038]S1.取2g壳聚糖溶解于浓度为1.25wt％的乙酸溶液中，在温度为80℃，搅拌速率为800rpm/min下于磁力搅拌器上恒温搅拌，待壳聚糖完全溶解，加入六水合硝酸镍和六水合硝酸钴，继续恒温搅拌至溶胶状态，然后置于50℃干燥箱干燥12h，取出，得到氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂前驱体；所述六水合硝酸镍和六水合硝酸钴的质量之和与壳聚糖的质量的比值为1.24：1；所述六水合硝酸镍中的Ni与所述六水合硝酸钴中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.向壳聚糖的羧酸溶液中加入镍盐和钴盐，搅拌至溶胶状态后干燥，得到氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂前驱体；所述镍盐和钴盐的质量之和与壳聚糖的质量的比值为(1～1.5)：1；所述镍盐中的Ni与所述钴盐中的Co的摩尔比为(3～7)：(3～7)；S2.将氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂前驱体置于400～600℃条件下热解处理2～5h，得到氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂。2.如权利要求1所述氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述羧酸选自乙酸、甲酸中的一种或两种。3.如权利要求1所述氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述镍盐选自硝酸镍，所述钴盐选自硝酸钴。4.如权利要求1所述氮掺杂碳负载金属镍钴催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述镍盐和钴盐的质量之和与壳聚糖的质量的比...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铁军，史家玲，郑泽锋，胡丽华，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：