一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将酵母菌在搅拌下分散在去离子水中形成分散液，向上述分散液中加入钴盐溶液，黑暗环境中搅拌，反应结束后，经离心、冷冻干燥得到吸附金属钴离子的酵母菌；(2)将所述步骤(1)所得的吸附金属钴离子的酵母菌，浸在含贵金属M

【技术实现步骤摘要】
一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电催化材料合成
，尤其涉及一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氢气具有较高的重量能量密度，被认为是解决能源短缺和环境污染问题的重要能源载体之一。可再生能源驱动的电催化水分解是一种高效、可持续的制氢方法。电催化剂作为促进水分解反应发生的关键部分。迫切需要制备高效、低成本的电催化剂加速电解水的产业化。
[0003]铂(Pt)作为电解水制氢最佳的催化剂，现有技术中，通常是将铂纳米颗粒与导电炭黑物理混合作为商业电催化析氢催化剂，但是现有技术中存在以下问题：商业催化剂中Pt含量较高，多为20wt％和40wt％，导致成本高昂；而降低贵金属载量又面临反应活性位点少，催化活性差的两难境地；此外，贵金属与载体之前的界面稳定性较差，严重影响了催化剂的使用寿命。目前，过渡金属磷化物已经广泛报导作为有效的析氢反应催化剂。金属磷化物具有类Pt电子结构，拥有较高的导电性和优异的催化活性，可作为贵金属Pt的优选载体。但目前传统的过渡金属磷化物的合成工艺中，大多涉及使用高危、剧毒等磷源，如NaH2PO2、PH3和P4，反应过程基本是气固反应，反应效率低。
[0004]因此，开发一种安全和高效的过渡金属磷化物合成工艺并通过简单和成本低廉的合成工艺制备低贵金属磷化物电催化剂具有重要的研究意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的旨在针对现有技术的不足，提供一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂及其制备方法和应用。基于上述问题，本专利技术提供了一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂及其制备方法和应用。本专利技术中，酵母菌具有本征富含磷、氮、碳元素等特点，表面富含丰富的功能团(如羧基、磷酰基、羟基、硫酸酯基和酰胺基等)，可以通过静电相互作用有效地吸附金属钴离子；更进一步地，钴离子可以渗透通过细胞膜，使得金属钴离子分布于整个酵母菌中，从而在酵母菌表面形成单原子或纳米粒子。此外，以酵母菌细胞作为碳模板和绿色生物质磷源，通过环境友好的绿色固相磷化工艺，以酵母菌作为生物质磷源和通过固相扩散反应得到过渡金属磷化物纳米颗粒作为高析氢电催化剂。本专利技术利用酵母菌生物质在环境友好的绿色可持续的制备方法下，合成开发具有高催化活性和稳定性的廉价高效的电催化剂，对于电解水的产业化具有至关重要的现实意义。本专利技术中NPC是指酵母菌热解后的N、P共掺杂的碳基底。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008](1)将酵母菌在搅拌下分散在去离子水中形成酵母菌分散液，随后，向上述酵母菌分散液中加入钴盐溶液，黑暗环境中在20～50℃搅拌12～48小时，反应结束后，经离心，冷冻干燥，得到吸附金属钴离子的酵母菌；
[0009](2)将所述步骤(1)所得的吸附金属钴离子的酵母菌，浸在含贵金属M
n+
的贵金属铂盐水溶液中搅拌干燥，得到吸附金属钴离子负载贵金属M
n+
的过渡金属磷化物纳米材料；
[0010](3)将步骤(2)得到的吸附金属钴离子负载贵金属M
n+
的过渡金属磷化物纳米材料放置于真空管式炉中，以2～4℃/min的升温速率在H2/Ar氛围下升温至T，在该温度T下保持2～4小时后，自然冷却至室温，得到低贵金属磷化物电催化剂。
[0011]如上所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，所述步骤(1)中的钴盐为硫酸钴、氯化钴、硝酸钴中的一种或多种。
[0012]如上所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，所述步骤(1)中的钴盐的加入量为每100mg酵母菌中加入xmmol，0≤x≤10。
[0013]如上所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，所述步骤(2)中M
n+
为Ru
3+
、Pd
2+
、Pt
4+
或者Ir
3+
中的一种或多种。
[0014]如上所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，所述步骤(2)中M
n+
为Pt
4+
。
[0015]如上所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，所述步骤(2)中的贵金属铂盐的投料量为ywt％，其中0≤y≤15。
[0016]如上所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，所述步骤(3)中以2～4℃/min的升温速率在H2/Ar氛围下升温至T，在该温度T下保持2～4小时，其中，600℃≤T≤1000℃。
[0017]如上所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，所述步骤(3)中以2℃/min的升温速率在H2/Ar氛围下升温至T，在该温度T下保持2小时，其中，T为900℃。
[0018]基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂，采用如上所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法制备获得，所述低贵金属磷化物电催化剂以酵母菌作为生物质磷源和碳源的碳基底，尺寸在5～8纳米的纳米Co2P颗粒均匀地分布在酵母菌原位衍生的高导电的碳基底表面，贵金属原子以非晶态单原子或纳米团簇分散于该低贵金属磷化物电催化剂材料中。优选的，本专利技术中，纳米Co2P颗粒的尺寸在7纳米左右。优选的，所述贵金属原子为Pt原子。
[0019]基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了如上所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法所制备的低贵金属磷化物电催化剂并将其应用在电催化析氢反应中。
[0020]本专利技术的有益效果是：
[0021]1、本专利技术提供的一种基于微生物模板衍生的金属磷化物电催化剂的制备方法，以酵母菌细胞作为碳模板和绿色生物质磷源，通过环境友好的绿色固相磷化工艺，磷化物纳米颗粒作为高效析氢电催化剂，该方法绿色无污染，可用于高效电催化析氢反应。
[0022]2、本专利技术制备的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂，酵母菌在高温条件下原位衍生的碳基底，伴随着水蒸气以及二氧化碳等气体的溢出，会在催化剂表
面产生丰富的孔道结构，一方面有利于电解液的浸润，提高材料的亲水性，另一方面也在保证材料良好的导电性的同时，也可以暴露出更多催化活性位点，整体提高催化剂的活性。
[0023]3、本专利技术提供的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法制备的催化剂，合成铂含量远低于商业Pt/C催化剂的低贵金属(＜15wt％)，合成工艺简单，可有效降低催化剂成本。
[0024]4、本专利技术提供的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂，其丰富的孔结构以及粗糙的表面可为催化反应提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将酵母菌在搅拌下分散在去离子水中形成酵母菌分散液，随后，向上述酵母菌分散液中加入钴盐溶液，黑暗环境中在20～50℃搅拌12～48小时，反应结束后，经离心，冷冻干燥，得到吸附金属钴离子的酵母菌；(2)将所述步骤(1)所得的吸附金属钴离子的酵母菌，浸在含贵金属M
n+
的贵金属铂盐水溶液中搅拌干燥，得到吸附金属钴离子负载贵金属M
n+
的过渡金属磷化物纳米材料；(3)将步骤(2)得到的吸附金属钴离子负载贵金属M
n+
的过渡金属磷化物纳米材料放置于真空管式炉中，以2～4℃/min的升温速率在H2/Ar氛围下升温至T，在该温度T下保持2～4小时后，自然冷却至室温，得到低贵金属磷化物电催化剂。2.根据权利要求1所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的钴盐为硫酸钴、氯化钴、硝酸钴中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的钴盐的加入量为每100mg酵母菌中加入xmmol，0≤x≤10。4.根据权利要求2所述的一种基于微生物模板衍生的低贵金属磷化物电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中M
n+
为Ru
3+
、Pd
2+
、Pt
4+
或者Ir
3+...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘尚果，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：