Ni/C纳米多层膜催化剂及其制备方法和在电解水中的应用技术

本发明专利技术公开了一种Ni/C纳米多层膜催化剂及其制备方法和在电解水中的应用，属于催化剂制备技术领域。Ni/C纳米多层膜催化剂按照以下步骤进行制备：对基板进行表面清洗和干燥处理，得到处理基板；将处理基板装到磁控溅射设备的真空室里，使用辉光溅射清洗后，以氩气为载气，使用Ni靶和C靶双靶共溅射，沉积得到Ni/C纳米多层膜催化剂。该催化剂具有低过电位、强导电性、高活性比表面积及优异的稳定性。高活性比表面积及优异的稳定性。高活性比表面积及优异的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
Ni/C纳米多层膜催化剂及其制备方法和在电解水中的应用


[0001]本专利技术涉及催化剂制备
，更具体的涉及一种Ni/C纳米多层膜催化剂及其制备方法和在电解水中的应用。

技术介绍

[0002]传统的化石能源资源不仅有限，而且在开采、运输和使用过程中会产生大量的污染物，对环境和人类健康造成严重影响。而新型绿色可再生能源，如风能、潮汐能、太阳能、生物能、氢能等被认为是传统的绿色可再生能源，不仅储量丰富，而且对环境友好，不会产生污染气体排放和其他环境问题，具有巨大的潜力，可以成为替代传统能源的重要选择。
[0003]目前，风能、潮汐能、太阳能、生物能和氢能被认为是传统的绿色可再生能源，其中氢能作为一种高能量密度、清洁无污染的能源，在可再生能源领域具有独特的优点。氢能具有很高的能量携带能力，比能量密度高达142.35KJ
·
Kg
‑1，相较于风能、潮汐能、太阳能等能源，氢能在单位质量的情况下储存更多的能量，从而具有更高的能源储存密度。这意味着氢能可以有效解决可再生能源间歇性和不稳定性的问题，提供可靠的能源供应。而电解水制氢作为一种生产氢能的技术，具有优越性。首先，电解水制氢可以使用电力作为驱动能源，而电力可以来自多种可再生能源，如风能、太阳能等，从而实现可再生能源向氢能的转化，进一步提高能源的可再生利用率。其次，电解水制氢过程中不需要使用任何化石燃料，不产生污染物，无二氧化碳、氮氧化物等温室气体的排放，对环境友好，有助于减少污染气体排放，降低空气和水源污染的风险。而且目前全球水资源及其丰富，水电解最重要的原料水资源储量丰富，则水电解制氢已日益成为最重要的制氢手段。
[0004]通过水电解制氢用来获取大量氢能作为清洁能源使用是目前最有效的解决能源短缺和环境污染等问题的方式。在水电解制氢的过程中，水的电解涉及到在阳极和阴极表面分别发生的氧化和还原反应。然而，由于反应动力学的限制，实际电催化析氢过程中所需的分解电压通常远高于理论分解电压，导致严重的电能损失。为了降低反应过电位，传统上使用铂等贵金属作为催化剂，因其具有优异的催化性能，被认为是最佳的析氢催化剂。然而，贵金属催化剂受限于其地球含量低和高昂的价格，限制了其在商业化中的应用。这促使研究者们寻找贵金属催化剂的替代品，并进一步提高催化剂的催化活性和稳定性。
[0005]近年来，Ni/C纳米多层膜催化剂因为它良好的催化活性而引起了社会上广泛的关注。Ni/C纳米多层膜相比于其他贵金属催化剂，Ni/C纳米多层膜催化剂在制备上更加的方便且价格低，拥有非常大的潜力来变成高效的电解水制氢催化剂，且传统方法难以实现这种层状材料的制备，怎么样制备高效的Ni/C纳米多层膜催化剂日渐成为众科学家的研究热点。

技术实现思路

[0006]针对以上问题，本专利技术提供了一种Ni/C纳米多层膜催化剂及其制备方法和在电解水中的应用，利用磁控溅射技术制备得到Ni/C纳米多层膜电解水制氢催化剂，该催化剂具
有低过电位、强导电性、高活性比表面积及优异的稳定性。
[0007]本专利技术的第一个目的是提供一种Ni/C纳米多层膜催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、对基板进行表面清洗和干燥处理，得到处理基板；
[0009]步骤2、Ni/C纳米多层膜催化剂的制备
[0010]将步骤1中的处理基板装到磁控溅射设备的真空室里，使用辉光溅射清洗后，以氩气为载气，使用Ni靶和C靶双靶共溅射，沉积得到Ni/C纳米多层膜催化剂。
[0011]优选的，步骤1中，基板＝碳纤维纸、泡沫铜、单层石墨烯、单抛硅片、泡沫镍或碳纤维布。
[0012]优选的，步骤1中，清洗步骤是：将基板依次丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗。
[0013]优选的，步骤2中，辉光溅射清洗的步骤是：在真空室内抽气直到真空室内的气压低于5
×
10
‑4Pa之后再导进氩气，限制氩气的气压为0.4～1.6Pa，对处理基板施以
‑
200～500V偏压，辉光的清洗时间为10～20min。
[0014]优选的，步骤2中，双靶共溅射的步骤是：对Ni靶和C靶均使用射频电源，Ni靶功率是40～300W，C靶功率是5～100W，沉积时间是5～20min，氩气流量为20
‑
40sccm，本底真空度为3
×
10
‑4～6
×
10
‑4Pa，工作气压设置在0.2～1.0Pa。
[0015]本专利技术的第二个目的是提供上述制备方法制备得到的Ni/C纳米多层膜催化剂。
[0016]本专利技术的第三个目的是提供上述Ni/C纳米多层膜催化剂在电解水中的应用。
[0017]优选的，以饱和甘汞电极为参比电极，石墨棒为对电极，Ni/C纳米多层膜催化剂为工作电极，H2饱和的碱性溶液为电解液，进行电解处理。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019](1)本专利技术利用磁控溅射技术制备了一种高效的Ni/C纳米多层膜电解水制氢催化剂，利用电离的氩离子先对金属Ni进行轰击，靶材表面的Ni原子或原子团在基底表层重新形核长大，形成致密的金属Ni层，然后关闭Ni靶，开启C靶，C原子在Ni层表面形核长大，最终形成具有周期结构的Ni/C多层。该催化剂具有低过电位、强导电性、高活性比表面积及优异的稳定性，且制备过程简单，能够简化制备过程、降低生产成本、全程无污染，解决了传统水热、溶剂热、化学沉积等方法制备催化剂带来的工艺复杂、成本昂贵、过程烦琐精细、稳定性差等问题，将大幅度降低碱性电解水制氢的商业成本。
[0020](2)Ni/C纳米多层膜催化剂在催化反应中表现出较高的催化活性。纳米多层膜结构提供了更大的比表面积和较短的传质路径，从而提高了催化剂的反应活性，使得反应可以在较低的温度或压力下进行，从而降低了催化剂的能耗和成本。Ni/C纳米多层膜催化剂在催化反应过程中表现出较高的稳定性。多层膜结构可以提供一定的抗氧化和抗腐蚀性能，从而减轻了催化剂在高温、高压或腐蚀性环境下的失活风险，延长了催化剂的使用寿命。Ni/C纳米多层膜催化剂的结构和组成可以通过调整制备条件进行精确控制，从而可以实现对催化剂性能的定制化设计。通过控制多层膜的层数、厚度、成分以及结构等参数，可以优化催化剂的催化性能，以满足不同反应的需求。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例2制备得到的Ni/C纳米多层膜催化剂的扫描电子显微镜图；
[0022]图2为本专利技术实施例4(a)和实施例5(b)制备得到的Ni/C纳米多层膜催化剂的透射电子显微镜图；
[0023]图3为本专利技术制备的Ni/C纳米多层膜催化剂的电解水催化析氢性能图。
具体实施方式
[0024]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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ni/C纳米多层膜催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对基板进行表面清洗和干燥处理，得到处理基板；步骤2、Ni/C纳米多层膜催化剂的制备将步骤1中的处理基板装到磁控溅射设备的真空室里，使用辉光溅射清洗后，以氩气为载气，使用Ni靶和C靶双靶共溅射，沉积得到Ni/C纳米多层膜催化剂。2.根据权利要求1所述的Ni/C纳米多层膜催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中，基板包括碳纤维纸、泡沫铜、单层石墨烯、单抛硅片、泡沫镍或碳纤维布。3.根据权利要求1所述的Ni/C纳米多层膜催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中，清洗步骤是：将基板依次丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗。4.根据权利要求1所述的Ni/C纳米多层膜催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2中，辉光溅射清洗的步骤是：在真空室内抽气直到真空室内的气压低于5
×
10
‑4Pa之后再导进氩气，限制氩气的气压为0.4～1.6Pa，对处理基板施以
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：许明宇，高波，钱航，熊静茹，张铭，于佳豪，王明婷，杨振宇，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：