一种纳米丝钨基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纳米丝钨基催化剂及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：S1，将PAN与纺丝溶剂混合，得到第一混合溶液；S2，将钨盐前驱体与所述第一混合溶液混合，得到第二混合溶液；S3，将所述第二混合溶液进行静电纺丝处理，得到预纺纤维；S4，将所述预防纤维进行第一煅烧处理，得到固化纤维；S5，将所述固化纤维在还原性气氛下进行第二煅烧处理，得到所述纳米丝钨基催化剂。本发明专利技术的纳米丝钨基催化剂具有较好的稳定性和析氢活性，能够满足在质子交换膜电解槽中的应用。子交换膜电解槽中的应用。子交换膜电解槽中的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米丝钨基催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及析氢催化剂领域，具体而言，涉及一种纳米丝钨基催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]析氢催化剂是位于质子交换膜电解槽的阴极催化剂，质子交换膜电解槽主要用于电解水制氢，与光伏、风力发电等波动性较强的可再生能源匹配度较高，未来具有较好的应用前景。但是目前质子交换膜电解槽所常用的阴极催化剂是铂基贵金属催化剂，因贵金属高价值和稀缺性，增加了质子交换膜电解槽的初期投资成本，限制了质子交换膜电解槽的大规模推广应用。
[0003]针对目前析氢催化剂成本高的问题，有必要提供一种新的催化剂来替代铂基贵金属催化剂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种纳米丝钨基催化剂及其制备方法和应用，以解决现有技术中析氢催化剂难以兼顾低成本与高析氢活性的问题。
[0005]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种纳米丝钨基催化剂的制备方法，其制备方法包括以下步骤：S1，将PAN与纺丝溶剂混合，得到第一混合溶液；S2，将钨盐前驱体与第一混合溶液混合，得到第二混合溶液；S3，将第二混合溶液进行静电纺丝处理，得到预纺纤维；S4，将预防纤维进行第一煅烧处理，得到固化纤维；S5，将固化纤维在还原性气氛下进行第二煅烧处理，得到纳米丝钨基催化剂。
[0006]进一步地，第一混合溶液中，PAN的质量浓度为0.01～0.1g/ml，优选为0.05～0.5g/ml。
[0007]进一步地，第二混合溶液中，钨盐前驱体的质量浓度为0.01～0.5g/ml，优选为0.05～0.5g/ml。
[0008]进一步地，静电纺丝中，纺丝电压差的范围为8～20kV，优选为12kV；优选地，静电纺丝中，纺丝距离为80～120mm；优选地，静电纺丝中，第二混合溶液的推液速度为0.001～0.1mm/min。
[0009]进一步地，还原性气氛为还原性气体与惰性气体的混合气氛；优选还原性气体包括氢气、一氧化碳、甲烷中的一种或多种；更优选地，还原性气体在还原性气氛中的体积浓度为1～30％。
[0010]进一步地，第一煅烧处理的温度为200～400℃，时间为2～6h；优选地，第一煅烧处理的升温速率为2～10℃/min。
[0011]进一步地，第二煅烧处理的温度为600～1200℃，优选为800～1000℃；优选地，第二煅烧处理的时间为2～6h；更优选地，在第二煅烧处理中，还原性气体的气体流量为100ml/min～1L/min。
[0012]进一步地，钨盐前驱体为磷钨酸、氯化钨、钨酸铵等中的一种或多种。
[0013]根据本专利技术的另一方面，提供了一种纳米丝钨基催化剂，根据上述的制备方法制备得到。
[0014]根据本专利技术的另一方面，提供了上述的纳米丝钨基催化剂在催化质子交换膜电解水中的应用。
[0015]应用本专利技术的技术方案，将钨前驱体和碳前驱体在前端混合，通过静电纺丝制备得到了纳米丝钨基催化剂。本专利技术的技术方案能够使钨基催化剂均匀地分散到纳米丝中，从而使其具有较好的稳定性和析氢活性，能够满足在质子交换膜电解槽中的应用。
附图说明
[0016]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0017]图1示出了根据本专利技术的实施例2和对比例1的析氢过电势示意图。
具体实施方式
[0018]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0019]为了解决如前所述的现有技术中存在的问题，根据本专利技术的一方面，提供了一种纳米丝钨基催化剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：S1，将PAN(聚丙烯腈)与纺丝溶剂混合，得到第一混合溶液；S2，将钨盐前驱体与第一混合溶液混合，得到第二混合溶液；S3，将第二混合溶液进行静电纺丝处理，得到预纺纤维；S4、将预防纤维进行第一煅烧处理，得到固化纤维；S5，将固化纤维在还原性气氛下进行第二煅烧处理，得到纳米丝钨基催化剂。应用本专利技术的技术方案，将钨前驱体和碳前驱体在前端混合，通过静电纺丝制备得到了纳米丝钨基催化剂。本专利技术的技术方案能够使钨基催化剂均匀地分散到纳米丝中，从而使其具有较好的稳定性和析氢活性，能够满足在质子交换膜电解槽中的应用。
[0020]在本专利技术的技术方案中，PAN大分子聚合物作为碳基的来源，与钨盐前驱体在有机溶剂中进行前端混合，使碳与钨的混合更加均匀，并且实现了对钨基催化剂负载量的精确控制，从而提高了生产效率、降低了生产成本，进一步为本专利技术提供的纳米丝钨基催化剂扩宽了应用前景。在第一煅烧处理中，预纺纤维的纺丝溶剂成分挥发，聚丙烯腈与钨前驱体达到了固化预纺纤维的目的。在第二煅烧处理中，再于还原气氛和高温下煅烧固化纤维，使钨盐前驱体转化为钨的氧化物，先固化再煅烧有利于纺丝结构的稳定，防止高温煅烧过程中纺丝溶剂快速挥发对纺丝造成结构性破坏。除此之外，碳基材料包裹的钨基催化剂还具有良好的稳定性，这也有利于提高质子交换膜槽的使用寿命。
[0021]为了进一步保证静电纺丝溶液在电压下具有较好的纺丝性能，在一种优选的实施方式中，PAN的质量浓度为0.01～0.1g/ml，优选为0.05～0.5g/ml。
[0022]为了进一步调整钨基催化剂的负载量、进一步提升催化剂的析氢活性，在一种优选的实施方式中，第二混合溶液中，钨盐前驱体的质量浓度为0.01～0.5g/ml，优选为0.05～0.5g/ml。
[0023]在实际的操作中，第一混合溶液中的纺丝溶剂可以为本领域常见的类型，例如
DMF、DMAC、DMSO等，但不限于以上所列举的种类。出于提高纺丝纤维的质量的目的，纺丝溶剂优选为DMF。
[0024]在实际的操作中，优选地，上述第二混合溶液通过电磁搅拌混合均匀。更优选地，电磁搅拌的时间为0.5～2h，以使钨盐前驱体能够完全溶解。
[0025]出于进一步优化预防纤维的形貌的目的，在一种优选的实施方式中，在静电纺丝中，纺丝电压差的范围为8～20kV，优选为12kV；优选地，静电纺丝中，纺丝距离为80～120mm；优选地，静电纺丝中，第二混合溶液的推液速度为0.001～0.1mm/min。优选上述静电纺丝工艺的参数条件，能够更好地制备得到具有纳米结构的纤维，从而使其具有更优秀的析氢活性。
[0026]在实际的操作中，优选地，将上述的第二混合溶液分别吸入多个注射器中，然后安装到静电纺丝设备上。
[0027]优选的，静电纺丝时，正压的范围为+5～+15kV，负压的范围为
‑
15～0kV。更优选地，正压为+10kV，负压为
‑
2kV。
[0028]在实际的操作中，优选地，静电纺丝以装置在静电纺丝滚轴上的铝箔作为载体。
[0029]在实际的操作中，优选地，在静电纺丝之后，将预纺纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米丝钨基催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1，将PAN与纺丝溶剂混合，得到第一混合溶液；S2，将钨盐前驱体与所述第一混合溶液混合，得到第二混合溶液；S3，将所述第二混合溶液进行静电纺丝处理，得到预纺纤维；S4，将所述预防纤维进行第一煅烧处理，得到固化纤维；S5，将所述固化纤维在还原性气氛下进行第二煅烧处理，得到所述纳米丝钨基催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合溶液中，所述PAN的质量浓度为0.01～0.1g/ml，优选为0.05～0.5g/ml。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第二混合溶液中，所述钨盐前驱体的质量浓度为0.01～0.5g/ml，优选为0.05～0.5g/ml。4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝中，纺丝电压差的范围为8～20kV，优选为12kV；优选地，所述静电纺丝中，纺丝距离为80～120mm；优选地，所述静电纺丝中，所述第二混合溶液的推液速度为0.001～0.1mm/min。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩治成，严大洲，杨涛，刘诚，万烨，温国胜，李艳平，
申请(专利权)人：中国有色工程有限公司，
类型：发明
国别省市：