碳包覆铂镍高效电析氢催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆铂镍高效电析氢催化剂及其制备方法，方法包括(

【技术实现步骤摘要】
碳包覆铂镍高效电析氢催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米催化剂领域，具体涉及一种碳包覆铂镍高效电析氢催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，化石能源逐渐枯竭，且其燃烧后的产物给环境带来的负担较大。在此背景下，氢能源燃烧效率高，燃烧产物绿色环保，且可再生的优点从其他各种资源中脱颖而出。而电解水制氢是氢能源来源的有效途径之一。
[0003]铂由于其具有优异的导电性，耐腐蚀性，稳定性和对氢合适的吸附与脱吸附性能成为析氢催化剂中最重要的元素之一。但是铂贵金属在地壳中的储量有限，因而限制了它的大规模生产。近年来，许多非贵过渡金属材料被制备成析氢催化剂的专利，如过渡金属铁钴镍材料“一种高效铁钴层状双金属氢氧化物耦合镍钼氢氧化物析氢电极及其制备方法”(CN112342565A)，硫化物“镍钼硫析氢电极的制备方法”(CN102127775A)，碳化物“一种具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物析氢电极及其一步制备法”(CN110512233A)，氮化物“一种电解水析氢催化剂及其制备与应用”(CN114045527A)等，然而与铂基催化剂相比，这些非贵过渡金属在性能和稳定性上并不能完全取代目前最先进的电催化剂贵金属铂。一种有效的方法是将Pt与非贵金属元素(如Cu、Zn、Co、Ni)形成Pt基合金纳米颗粒(NPs)，不仅降低了Pt的整体负载，经济实惠，而且由于协同效应，具有优异的析氢性能。
[0004]在晶体生长过程中，为了使总表面能最小化，表面能较低的晶体段会优先暴露。高能部分的暴露在能量上是不利的，这些部分最终会在晶体生长过程中消失。具有高能表面的高折射率切面通常比具有低能表面的性能更好。然而，由于合金组分的还原电位、原子半径和电负性不同，挖掘出的单金属NPs的形成已经相当困难，更不用说双金属合金NPs的制备了。高指数晶面暴露的贵金属由于具有较高的表面能和选择性，常用来作为甲醇，甲酸，乙醇氧化，ORR，ECL等过程催化剂，较少研究铂的高指数晶面对析氢性能的性能的优势。实验发现铂高指数晶面的暴露能有效提升铂的析氢性能，对于充分发挥铂的单位原子活性有重大研究意义。除了电化学性能之外，催化剂材料在实际应用中的稳定性也是一个主要问题。众所周知，催化剂表面的活性位点为HER过程中化学键的形成或断裂提供了有利的化学状态。因此，催化剂表面活性位点周围的原子结构是决定其催化性能的关键。而在长期的操作条件下，高活性电催化剂会发生显著且不可逆的结构降解。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，针对本领域的研究难点，提供了一种碳包覆铂镍高效电析氢催化剂及其制备方法
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种碳包覆铂镍高效电析氢催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008](
ⅰ
)铂镍合金纳米粉体催化剂的制备
[0009]配置反应母液，通过水热法制备铂镍合金纳米催化剂，水热反应完成后冷却到室温，依次离心，洗涤，干燥，得到高指数晶面暴露的铂镍合金纳米粉体催化剂；
[0010]所述反应母液是由甘氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、氯铂酸和氯化镍配置成的混合溶液；
[0011](
ⅱ
)铂镍纳米析氢催化剂表面包覆碳源
[0012]采用包覆法处理步骤(
ⅰ
)所得高指数晶面暴露的铂镍合金纳米粉体催化剂，使其表面包覆碳源；
[0013](
ⅲ
)碳包铂镍纳米析氢催化剂的制备
[0014]将步骤(
ⅱ
)所得产物退火处理，随炉冷却，就得到了碳包铂镍纳米析氢催化剂。
[0015]在上述技术方案中，所述水热法的具体步骤为：将反应母液转移到聚四氟乙烯水热釜中并置于100℃～250℃的烘箱中保温2h～7h。
[0016]在上述技术方案中，所述反应母液的各组分的质量份数比为：
[0017][0018]在上述技术方案中，所述包覆法为多巴胺浸泡法，具体为：将高指数晶面暴露的铂镍纳米催化剂放置于配置好的pH为7.5～9的Tris
‑
HCL溶液中，Tris
‑
HCL溶液完全浸没催化剂，再向混合溶液中加入盐酸多巴胺，浸泡0.01h
‑
100h，依次离心，洗涤，干燥，得到产物。
[0019]在上述技术方案中，所述Tris溶液是由盐酸缓慢滴至Tris溶液中，调节溶液pH配制而成。
[0020]在上述技术方案中，所述多巴胺与高指数晶面暴露的铂镍纳米粉体催化剂的质量比为0.1～2：1～20。
[0021]在上述技术方案中，所述包覆法为葡萄糖包覆法，具体为：将高指数晶面暴露的铂镍纳米催化剂转移至30ml的0.1～5mM的葡萄糖溶液中，搅拌均匀后转移至50ml水热釜中，在180℃～250℃的温度下保温8h～12h，依次离心，洗涤，干燥，得到产物。
[0022]在上述技术方案中，所述的葡萄糖与高指数晶面暴露的铂镍纳米粉体催化剂的质量比为0.01～1.5：0.1～60。
[0023]在上述技术方案中，所述包覆法为PVP包覆法，具体为：将0.1
‑
5mM的PVP溶解于无水乙醇中，再将高指数晶面暴露的铂镍纳米催化剂浸泡其中，充分混合，最后在烘箱干燥，得到产物。
[0024]在上述技术方案，所述的PVP与高指数晶面暴露的铂镍纳米粉体催化剂的质量比为4～300：0.1～60。
[0025]在上述技术方案中，所述退火处理的条件为：在惰性气氛下于150℃～1000℃保温0.01h～17h。
[0026]在上述技术方案中，所述惰性气氛为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气中的任意一种或多种。
[0027]一种碳包覆铂镍高效电析氢催化剂，通过碳包覆铂镍高效电析氢催化剂的制备方
法制备。
[0028]本专利技术的有益效果是：
[0029]本专利技术提供了一种碳包覆铂镍高效电析氢催化剂及其制备方法，制备的碳包覆铂镍纳米粉体催化剂，一方面其表面碳膜能与核内的金属发生电子交互作用，调节电子结构，从而提升材料的性能，另一方面碳膜在透过电解质的同时能有效缓解内核中铂在酸性电解质中的溶解，从而具有良好的电化学析氢催化性和稳定性；制备方法简单，能通过控制多巴胺的含量，多巴胺浸泡时间，碳化温度和碳化时间达到表面碳膜厚度的可控制备，并且相较于葡萄糖包覆法以及PVP包覆法来说，具有有优异的电化学析氢性能。与商用铂碳对比，具有不亚于商用铂碳的催化性能以及远优于商用铂碳的稳定性。在高电流密度下持续循环运行10000圈没有出现性能的明显衰减。
附图说明
[0030]图1分别是本专利技术根据实施例1所述方法制备的PtNi NPs样品的TEM图(a)(b)、PDA
‑
PtNi NPs的TEM图(c)以及PtNi NPs关于Pt、Ni元素DEDS
‑
TEM元素分布图谱(d)；
[0031]图2是本专利技术根据实施例1所述方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆铂镍高效电析氢催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(
ⅰ
)铂镍合金纳米粉体催化剂的制备配置反应母液，通过水热法制备铂镍合金纳米催化剂，水热反应完成后冷却到室温，依次离心，洗涤，干燥，得到高指数晶面暴露的铂镍合金纳米粉体催化剂；所述反应母液是由甘氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、氯铂酸和氯化镍配置成的混合溶液；(
ⅱ
)铂镍纳米析氢催化剂表面包覆碳源采用包覆法处理步骤(
ⅰ
)所得高指数晶面暴露的铂镍合金纳米粉体催化剂，使其表面包覆碳源；(
ⅲ
)碳包铂镍纳米析氢催化剂的制备将步骤(
ⅱ
)所得产物退火处理，随炉冷却，就得到了碳包铂镍纳米析氢催化剂。2.根据权利要求1所述的碳包覆铂镍高效电析氢催化剂的制备方法，其特征在于：所述水热法的具体步骤为：将反应母液转移到聚四氟乙烯水热釜中并置于100℃～250℃的烘箱中保温2h～7h。3.根据权利要求1所述的碳包覆铂镍高效电析氢催化剂的制备方法，其特征在于：所述反应母液的各组分的质量份数比为：甘氨酸
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2份～10份；聚乙烯吡咯烷酮
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15份～60份；氯铂酸
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0.5份～5份；氯化镍
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0.05份～0.5份；去离子水
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1000份～5000份。4.根据权利要求1所述的碳包覆铂镍高效电析氢催化剂的制备方法，其特征在于：所述包覆法为多巴胺浸泡法，具体为：将高指数晶面暴...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪红卫，文颖，陈荣生，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：