一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的制备和使用方法技术

本发明专利技术公开了一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的制备和使用方法，其特征在于，包括：将PVP粉末和HBA溶解到DMF中，制成浆料；将醋酸铁和醋酸镍或醋酸铜缓慢加入到制备好的浆料中搅拌，得到均匀的前驱体浆料；利用静电纺丝技术将前驱体浆液编织成前驱体网络，制备新型三维铁、铜纳米颗粒包覆、B和N共掺杂的多层多孔碳纳米片。本发明专利技术制备的催化剂具有多层多孔的物理结构、优秀的电荷转运能力和丰富的活性位点，具有优异的水分解催化活性，三维多孔分层结构使材料具有明显的结构特征和稳定的化学性，在两电极电解槽中表现出优异的稳定性；水裂解催化活性高。裂解催化活性高。裂解催化活性高。

【技术实现步骤摘要】
一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的制备和使用方法


[0001]本专利技术属于电解水制氢催化剂
，具体涉及一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的制备和使用方法。

技术介绍

[0002]化石燃料消耗量的不断增长导致空气污染、能源短缺和全球变暖等一系列问题。因此，发展清洁能源势在必行。氢能具有高的能量密度且无污染，是一种优秀的能源载体，也是未来低碳能源系统的潜在候选对象。析氢反应(HER)通过电化学还原水生成分子氢是限制水分解装置效率的关键过程之一。同时，析氧反应(OER)是燃料电池的关键过程一般来说，如果没有高效催化剂的辅助，OER不可避免地受到动力学迟缓的影响，这限制了水分解装置和燃料电池的效率。
[0003]目前，商业制备氢气的主要方式是重整天然气、煤等化石能源制氢。虽成本低，但不能避免碳循环。电解水制氢具有清洁、高效和可持续的优势。但是，当前电解水制氢所使用的催化剂为贵金属催化剂，导致电解水制氢成本高。贵金属基催化剂(尤其是Pt基催化剂)对OER表现出良好的反应速率。然而，铂金属资源稀缺、成本高、稳定性差仍然阻碍了其实际应用。未来，实现电解水制氢的商业化应用，必须开发高效、廉价的非贵金属催化剂。
[0004]与贵金属Pt、Ru、Ir相比，过渡金属在地球上的储存量大，具有价格便宜、低毒性、适用范围较广等特点。目前，基于过渡金属开发的电催化剂已经被证实能够催化OER反应。其中，基于Fe和Ni或Cu合成的催化剂催化效果更佳。有望进一步降低电解水制氢、氢燃料电池催化剂的成本。
[0005]因此，基于地球上丰富且廉价的元素设计高效的催化剂来促进OER催化在未来开发新能源设备(特别是氢燃料电池)是至关重要的。
[0006]为了解决上述问题，本文提出一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的制备和使用方法。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术设计了一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的制备和使用方法，该催化剂具有多层多孔的物理结构、优秀的电荷转运能力和丰富的活性位点，因此具有优异的水分解催化活性，其三维多孔分层结构使得材料具有明显的结构特征和稳定的化学性，在两电极电解槽中表现出优异的稳定性；本专利技术方法在廉价金属催化剂中掺杂更多的B/N杂原子，从而提高其水裂解催化活性的新的方法。
[0008]为了达到上述技术效果，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的制备和使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]Step1：按质量比3～5：1～2称取聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)粉末和羟基苯硼酸(HBA)，溶解到N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)中，每克HBA对应30～50mlDMF，制成HBA
‑
PVP
‑
DMF浆料；
[0010]Step2：将醋酸铁[Fe(AC)2·
4H2O]和醋酸镍[Ni(AC)2·
4H2O]或醋酸铜[Cu(AC)2·
H2O]按质量比1：1比例缓慢加入到制备好的HBA
‑
PVP
‑
DMF浆料中，搅拌10～12h，得到均匀的前驱体浆料；
[0011]Step3：利用静电纺丝技术将前驱体浆液编织成前驱体网络，在600～1000℃的氮气气氛下进行热解，制备新型三维铁、镍或铜纳米颗粒包覆、B和N共掺杂的多层多孔碳纳米片(FeNi@BNPCNs或FeCu@BNPCNs)。
[0012]进一步的，包括以下步骤：
[0013]Step1：按质量比3：1称取聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)粉末和羟基苯硼酸(HBA)，溶解到N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)中，每克HBA对应30mlDMF，制成HBA
‑
PVP
‑
DMF浆料；
[0014]Step2：将醋酸铁[Fe(AC)2·
4H2O]和醋酸镍[Ni(AC)2·
4H2O]或醋酸铜[Cu(AC)2·
H2O]按质量比1：1比例缓慢加入到制备好的HBA
‑
PVP
‑
DMF浆料中，搅拌10h，得到均匀的前驱体浆料；
[0015]Step3：利用静电纺丝技术将前驱体浆液编织成前驱体网络，在600～1000℃的氮气气氛下进行热解，制备新型三维铁、镍或铜纳米颗粒包覆、B和N共掺杂的多层多孔碳纳米片(FeNi@BNPCNs或FeCu@BNPCNs)。
[0016]进一步的，所述的Step3中，FeNi@BNPCNs制备在氮气气氛下进行热解的温度为800℃；FeCu@BNPCNs制备在氮气气氛下进行热解的温度为900℃。
[0017]本专利技术的另一目的在于提供一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0018]S1、按照9:1的比例将超纯水和Nafion溶液(5％)混合制得分散环境溶液，将样品与分散按照3mg/ml的比例混合得到分散溶液，将分散溶液超声分散1h后得到均相的催化剂油墨，取30μL分散溶液，滴在玻碳电极表面制成工作电极，自然晾干后用于析氢、析氢反应；
[0019]S2、析氢反应在N2饱和的1.0mol/LKOH电解液中进行，KOH电解液的pH＝14。
[0020]本专利技术的有益效果是：
[0021](1)本专利技术中通过静电纺丝可以引入大量三维结构，增加介孔和碳边缘缺陷位点的分布量；
[0022](2)本专利技术独特的三维多孔结构提升了B和N活性位点的掺杂量；
[0023](3)该催化剂组成的电解水电解池表现出高的电解水催化活性，且具有优秀的稳定性；
[0024](4)本专利技术使用过渡金属铁铜达到接近甚至超过贵金属催化剂的催化活性，节约成本；
[0025](5)本专利技术方法能够实现高效电解水，经济成本低，效率高、能耗低，可操作性强，可行性好。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1是实施例1产品OER性能对比以及和商用催化剂性能对比图；
[0028]图2是实施例1产品HER性能对比以及和商用催化剂性能对比图；
[0029]图3为实施例2所制备催化剂的X射线衍射图；
[0030]图4是FeNi@BNPCNs
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800两电极电解水性能图；
[0031]图5是FeCu@BNPCNs
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900催化剂的电子显微镜图像；
[0032]图6为实施例3所阐述三电极体系下LSV极化曲线；
[0033]图7是实施例3两电极电解槽示意图。
具体实施方式
[0034]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：Step1：按质量比3～5：1～2称取聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)粉末和羟基苯硼酸(HBA)，溶解到N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)中，每克HBA对应30～50mlDMF，制成HBA
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PVP
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DMF浆料；Step2：将醋酸铁[Fe(AC)2·
4H2O]和醋酸镍[Ni(AC)2·
4H2O]或醋酸铜[Cu(AC)2·
H2O]按质量比1：1比例缓慢加入到制备好的HBA
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PVP
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DMF浆料中，搅拌10～12h，得到均匀的前驱体浆料；Step3：利用静电纺丝技术将前驱体浆液编织成前驱体网络，在600～1000℃的氮气气氛下进行热解，制备新型三维铁、镍或铜纳米颗粒包覆、B和N共掺杂的多层多孔碳纳米片(FeNi@BNPCNs或FeCu@BNPCNs)。2.根据权利要求1所述的一种铁镍或铁铜电解水制氢催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：Step1：按质量比3：1称取聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)粉末和羟基苯硼酸(HBA)，溶解到N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)中，每克HBA对应30mlDMF，制成HBA
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PVP

【专利技术属性】
技术研发人员：李冕，王艺斌，郭飞，肖兰，肖杰，林艳，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：