一种用于PEM电解水装置的阴极析氢催化剂及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于PEM电解水装置的阴极析氢催化剂及其应用，属于催化剂技术领域。本发明专利技术提供了一种制备阴极析氢催化剂的方法，采用硬模板法和溶剂热表面氧化及磺酸化处理，以沥青基碳材料作为前驱体合成出了掺杂氮、硫、磷或硼，具有高比表面积、规整介孔孔道结构、高电导率、高导热的有序介孔碳分子筛材料；先采用溶剂热法对掺杂有序介孔碳分子筛材料进行表面氧化处理，再对掺杂有序介孔碳分子筛材料进行表面磺酸化处理，使阴极析氢催化剂表面能够含有丰富

【技术实现步骤摘要】
一种用于PEM电解水装置的阴极析氢催化剂及其应用


[0001]本专利技术涉及一种用于PEM电解水装置的阴极析氢催化剂及其应用，属于电化学催化剂制备


技术介绍

[0002]绿氢是指通过可再生能源发电，再通过电解水获取氢气。电解水制氢是指在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子分解为氢气和氧气，分别在阴、阳极析出。电解水制氢目前主要有三种技术路线，即碱性（AWE）电解水制氢、质子交换膜（PEM）电解水制氢以及固体氧化物（SOEC）电解水制氢。与AWE电解水制氢相比，PEM电解水制氢的效率更高、启停更快、响应性更好、产生的氢气更纯，并且，适用于可再生能源发电时的波动性；与SOEC电解水制氢相比，PEM电解水制氢技术具有反应温度更低、技术成熟度高、产氢电流密度高、运行压力高等优点。
[0003]PEM电解水制氢的PEM电解池主要由阳极端板、阴极端板、阴阳极扩散层、阴阳极催化层以及质子交换膜组成。其中，端板的作用是固定电解池组件，并引导电流传递，分配水、气；扩散层起到集流，促进气液传递等作用；催化层是由催化剂、电子传导介质、质子传导介质组成的三相界面，是电化学反应的核心场所；质子交换膜的作用则是传导质子，阻止电子的传递。在PEM电解水制氢的PEM电解池工作时，水在阳极催化剂的催化下产生并释放氧气，在阴极催化剂的催化下产生并释放氢气。
[0004]与AWE电解水制氢的碱性电解池相比，PEM电解水制氢的PEM电解池使用质子交换膜代替石棉膜，质子交换膜能够隔绝开阴阳极生成的气体，使得阴阳极生成的气体无需进行脱碱处理，避免了碱性电解液所带来的缺点，并且，PEM电解池的体积更为紧凑，结构方面零间隙，极大降低了电解池的欧姆内阻，提升了整体性能。但是，PEM电解水制氢的PEM电解池通常以负载贵金属（如Pt和Ir）的碳材料作为阴极析氢催化剂，存在价格昂贵、资源有限。因此，亟需开发低贵金属（如Pt和Ir）负载量的阴极析氢催化剂。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种制备阴极析氢催化剂的方法，所述方法包含如下步骤：沥青基碳材料前驱体溶液的制备：将沥青基碳材料、掺杂化合物和溶剂A混合后进行反应，得到沥青基碳材料前驱体溶液；掺杂有序介孔碳分子筛材料的制备：将介孔硅分子筛、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶剂B混合后进行反应，得到混合物；将混合物、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶剂B混合后进行反应，得到反应产物；将反应产物进行热解，得到热解产物；将热解产物进行模板刻蚀后干燥，得到掺杂有序介孔碳分子筛材料；掺杂有序介孔碳分子筛材料的改性：在掺杂有序介孔碳分子筛材料表面进行溶剂热氧化处理，得到经氧化的掺杂有序介孔碳分子筛材料；在经氧化的掺杂有序介孔碳分子
筛材料表面进行磺酸化改性处理，得到经改性的掺杂有序介孔碳分子筛材料；金属的负载：在经改性的掺杂有序介孔碳分子筛材料中负载铂金属，得到阴极析氢催化剂。
[0006]在本专利技术的一种实施方式中，所述沥青基碳材料前驱体溶液的制备为：将沥青基碳材料、掺杂化合物和溶剂A混合后，100~800 W、500~1200 rpm下超声搅拌0.5~6 h，得到混合物原液A；将混合物原液A以5~20 ℃
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‑1的速度升温至60~180℃后，在60~180℃下反应6~36 h，得到沥青基碳材料前驱体溶液。
[0007]在本专利技术的一种实施方式中，所述掺杂有序介孔碳分子筛材料的制备为：将介孔硅分子筛、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶剂B混合后，100~800 W、500~1200 rpm下超声搅拌20~120 min，得到混合物原液B；将混合物原液B在80~120 ℃下反应2~12 h后，在130~180℃下继续反应2~12 h，得到混合物；将混合物、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶剂B混合后，100~800 W、500~1200 rpm下超声搅拌20~120 min，得到混合物原液C；将混合物原液C在80~120 ℃下反应2~12 h后，在130~180℃下继续反应2~12 h，得到反应产物；将反应产物先以2~5 ℃
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‑1的速度升温至400~600 ℃，再以1~3 ℃
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‑1的速度升温至800~1200 ℃后，在氮气的保护下，于800~1200 ℃热解2~8 h，得到热解产物；将热解产物浸入含氢氧化钠的乙醇水溶液中后，于50~80℃、500~1200 rpm下搅拌反应2~12 h，得到刻蚀产物；将刻蚀产物分别用水和乙醇洗涤至其洗涤液呈中性（pH=7）后干燥，得到掺杂有序介孔碳分子筛材料。
[0008]在本专利技术的一种实施方式中，所述掺杂有序介孔碳分子筛材料的后处理为：将掺杂有序介孔碳分子筛材料放入氧化溶液中，于20~50℃、500~1200 rpm下搅拌反应2~12 h，得到反应产物；将反应产物放入高温反应釜中，在60~150℃下高温晶化反应6~24 h，得到氧化产物；将氧化产物分别用水和乙醇洗涤后干燥，得到经氧化的掺杂有序介孔碳分子筛材料；将经氧化的掺杂有序介孔碳分子筛材料和磺酸化试剂混合后，于100~200℃、500~1200 rpm下搅拌反应12~24 h，得到经改性的掺杂有序介孔碳分子筛材料。
[0009]在本专利技术的一种实施方式中，所述金属的负载为：使用浸渍法、离子交换法、胶体法、真空溅射法、微波快速法或微乳液法在经改性的掺杂有序介孔碳分子筛材料中负载铂金属，得到阴极析氢催化剂。
[0010]在本专利技术的一种实施方式中，所述浸渍法为：将经改性的掺杂有序介孔碳分子筛材料进行研磨，得到经改性的掺杂有序介孔碳分子筛材料颗粒；将经改性的掺杂有序介孔碳分子筛材料颗粒与溶剂C混合，得到混合物原液D；将混合物原液D于100~800 W、500~1200 rpm下超声搅拌分散0.5~3 h后，与铂金属前驱体水溶液混合，得到混合物原液E；将混合物原液E于100~800 W、500~1200 rpm下超声搅拌分散0.5~3 h后，调节pH值至7~10，得到混合物原液F；在30~70℃下将还原剂和混合物原液F混合后，于30~70℃下继续反应0.5~6 h，得到反应产物；将反应产物分别用稀硫酸溶液和水洗涤后干燥，得到阴极析氢催化剂。
[0011]在本专利技术的一种实施方式中，所述沥青基碳材料、掺杂化合物和溶剂A的混合质量比为1：0.01~0.5：0.5~10。
[0012]在本专利技术的一种实施方式中，所述介孔硅分子筛、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶剂B的混合质量比为1：0.5~3：0.05~0.5：2~10。
[0013]在本专利技术的一种实施方式中，所述混合物、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶
剂B的混合质量比为7：0.5~3：0.05~0.5：2~10。
[0014]在本专利技术的一种实施方式中，所述掺杂有序介孔碳分子筛材料和硝酸水溶液的混合质量比为1：2~100。
[0015]在本专利技术的一种实施方式中，所述经氧化的掺杂有序介本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备阴极析氢催化剂的方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：沥青基碳材料前驱体溶液的制备：将沥青基碳材料、掺杂化合物和溶剂A混合后进行反应，得到沥青基碳材料前驱体溶液；掺杂有序介孔碳分子筛材料的制备：将介孔硅分子筛、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶剂B混合后进行反应，得到混合物；将混合物、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶剂B混合后进行反应，得到反应产物；将反应产物进行热解，得到热解产物；将热解产物进行模板刻蚀后干燥，得到掺杂有序介孔碳分子筛材料；掺杂有序介孔碳分子筛材料的改性：在掺杂有序介孔碳分子筛材料表面进行溶剂热氧化处理，得到经氧化的掺杂有序介孔碳分子筛材料；在经氧化的掺杂有序介孔碳分子筛材料表面进行磺酸化改性处理，得到经改性的掺杂有序介孔碳分子筛材料；金属的负载：在经改性的掺杂有序介孔碳分子筛材料中负载铂金属，得到阴极析氢催化剂。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沥青基碳材料前驱体溶液的制备为：将沥青基碳材料、掺杂化合物和溶剂A混合后，超声搅拌0.5~6 h，得到混合物原液A；将混合物原液A以5~20 ℃
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‑1的速度升温至60~180℃后，在60~180℃下反应6~36 h，得到沥青基碳材料前驱体溶液。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述掺杂有序介孔碳分子筛材料的制备为：将介孔硅分子筛、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶剂B混合后，超声搅拌20~120 min，得到混合物原液B；将混合物原液B在80~120 ℃下反应2~12 h后，在130~180℃下继续反应2~12 h，得到混合物；将混合物、沥青基碳材料前驱体溶液、浓硫酸和溶剂B混合后，超声搅拌20~120 min，得到混合物原液C；将混合物原液C在80~120 ℃下反应2~12 h后，在130~180℃下继续反应2~12 h，得到反应产物；将反应产物先以2~5 ℃
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‑1的速度升温至400~600 ℃，再以1~3 ℃
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‑1的速度升温至800~1200 ℃后，在氮气的保护下，于800~1200 ℃热解2~8 h，得到热解产物；将...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡小夫，沈明忠，王昕，白建明，单小勇，于子龙，
申请(专利权)人：华电重工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：