一种电催化析氢的RhNi复合电催化剂及其制备方法技术

一种电催化析氢的RhNi复合电催化剂及其制备方法，属于能源催化转化技术领域。本发明专利技术通过水热法制备了Ni(OH)2纳米片前驱体，并通过一步溶液浸渍法制备了静电吸附的Rh

【技术实现步骤摘要】
一种电催化析氢的RhNi复合电催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于能源催化转化
，具体涉及一种电催化析氢的RhNi复合电催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]化石资源的过度消耗和随之带来的环境污染问题，迫使我们急需开发和利用可替代化石燃料的可再生清洁能源。由于氢具有极大的环境友好性和较高的能量密度容量，因此氢能被认为21世纪一种最具吸引力的有限储存化石燃料的替代品。电解水制氢是解决目前这种困境的一种有效途径。但是电解水过程中较高的过电位使得电解水的能耗较高，因此我们需要开发高活性的析氢反应催化剂来降低水分解反应的过电位，从而提高电催化水分解效率。理想中的电解水应该以低成本和高产率来生产氢气，目前最高效产氢的电催化剂仍然是以稀缺且昂贵的贵金属Pt基材料为主。然而，资源的极度稀缺和较差的稳定性严重阻碍了Pt基材料在工业上的大规模应用。因此，迫切需要开发过电位低、且地球上储量丰富的电解水催化剂来加速反应动力学和提升电解水效率。其中，储量丰富的Ni基材料具有良好的可塑性和化学性质，对析氢反应表现出一定的电催化活性。与贵金属基催化剂相比，具有规则晶体结构(即规整电子结构排布)的Ni金属具有不理想的氢结合强度和较差的水分子解离能力，这阻碍了镍金属成为全pH范围内的潜在析氢反应电催化剂候选者。从上述研究推断，调控Ni金属的电子组态可能是优化中间体与Ni位点结合能和增强电催化析氢反应(HER)本征活性的关键。
[0003]近年来，研究人员探索了多种调控电子结构的方法，包括形态调制、缺陷工程、单原子修饰和双金属结构策略(DMCs)等。其中，DMCs的杂原子掺杂因其合成路线简单和掺杂量可控的优势而受到广泛应用。与非贵金属不同，贵金属由于其灵活的配位结构，因而在活性位点的电子结构调控中开始受到越来越多的关注。令人惊讶的是，Rh原子不仅可以与其他金属位上产生强的电子相互作用，而且由于近零的氢结合自由能，使得Rh基催化剂具有较高的析氢反应活性。目前，已报道的Rh基催化剂中的Rh元素几乎分布在整个材料中，因而Rh元素的使用量极高。众所周知，催化反应一般发生在材料表面，但表面Rh参与析氢反应的比例很小，造成资源严重浪费和很低原子利用率。因此，降低Rh的使用量和设计表面集中分布的Rh对未来的商业应用具有重要意义。然而，如何减少Rh的使用以及同时可以设计处表面Rh掺杂的催化剂，仍然是调控Ni金属电子构型的巨大挑战。

技术实现思路

[0004]为了提高贵金属原子利用率以及提升催化剂的催化性能，本专利技术制备了一种在酸性和碱性电解液中进行高效析氢反应的微量Rh表面掺杂的Ni基电催化析氢的RhNi复合电催化剂及其制备方法，从而保证电解水产氢快速、高效进行。
[0005]本专利技术通过水热法制备了Ni(OH)2纳米片前驱体，并通过一步溶液浸渍法制备了静电吸附的Rh
3+
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Ni(OH)2复合材料；随后，在还原气氛(H2/Ar)下将Rh
3+
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Ni Ni(OH)2进行热
处理，获得了微量Rh掺杂的Ni基金属电催化剂(3D
‑
RhNi)；该3D
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RhNi在酸性和碱性条件下表现出高效的析氢反应活性和优异的稳定性，这种独特的催化剂结构为构建表面贵金属掺杂激活惰性非贵金属位点提供了新的设计思路，同时提高了贵金属原子在表面催化中的利用效率。
[0006]本专利技术所述的一种电催化析氢的RhNi复合电催化剂的制备方法，其步骤如下：
[0007](1)碳布(CC)基底的预处理：
[0008]将碳布置于浓硝酸(质量分数35％)和浓硫酸(质量分数98％)体积比为1：3的混合溶液中，在85～95℃下处理4～8h，用于去除碳布表面的杂质和污染物；降至室温后，再用H2O和C2H5OH多次清洗碳布，室温干燥得到干净的碳布基底；
[0009](2)表面生长Ni(OH)2的碳布基底的制备：
[0010]将0.5～0.7g Ni(NO3)2·
6H2O、0.2～0.3g NH4F和0.6～0.8g(NH2)2CO加到30～40mL H2O中，持续搅拌20～40min得到清澈的浅绿色溶液；然后将步骤(1)干净的碳布基底浸入该浅绿色溶液中，110～130℃反应4～8h；冷却至室温后将碳布基底取出并用H2O和C2H5OH多次洗涤，得到表面生长Ni(OH)2的碳布基底；
[0011](3)表面生长Ru
3+
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Ni(OH)2或Rh
3+
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Ni(OH)2的碳布基底的制备：
[0012]将0.02g RuCl3·
xH2O超声溶解于8～15mL C2H5OH中，得到含Ru
3+
的溶液；将表面生长Ni(OH)2的碳布基底浸入该含Ru
3+
的溶液中，静置1.5～3.0h，得到表面生长有Ru
3+
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Ni(OH)2前驱体的碳布基底；将该碳布基底取出并用C2H5OH多次洗涤后室温干燥，得到表面生长Ru
3+
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Ni(OH)2的碳布基底；
[0013]将0.02g RhCl3·
xH2O超声溶解于8～15mL C2H5OH中，得到含Rh
3+
的溶液；将表面生长Ni(OH)2的碳布基底浸入该含Rh
3+
的溶液中静置1.5～3.0h，得到表面生长有Rh
3+
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Ni(OH)2前驱体的碳布基底；将该碳布基底取出并用C2H5OH多次洗涤后室温干燥，得到表面生长Rh
3+
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Ni(OH)2的碳布基底；
[0014](4)3D
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Ni、3D
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RuNi和3D
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RhNi电催化剂的制备：
[0015]在还原气氛为5％ H2和95％ Ar的条件下(百分数的单位是体积)，将步骤(2)得到的表面生长Ni(OH)2的碳布基底置于管式炉中心，管式炉以1.5～3.0℃/min的速度加热至380～420℃，保持1.5～3.0h进行退火处理；然后降温至室温，从而得到3D
‑
Ni电催化剂，3D
‑
Ni负载量为2～3mg/cm2；
[0016]在还原气氛为5％ H2和95％ Ar的条件下(百分数的单位是体积)，将步骤(3)得到的表面生长Ru
3+
‑
Ni(OH)2的碳布基底置于管式炉中心，管式炉以1.5～3.0℃/min的速度加热至380～420℃，保持1.5～3.0h进行退火处理；然后降温至室温，从而得到3D
‑
RuNi复合电催化剂，3D
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RuNi负载量为2～3mg/cm2；
[0017]在还原气氛为5％ H2和95％ Ar的条件下(百分数的单位是体积)，将步骤(3)得到的表面生长Rh
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Ni(OH)2的碳布基底置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电催化析氢的RhNi复合电催化剂的制备方法，其步骤如下：(1)表面生长Ni(OH)2的碳布基底的制备将0.5～0.7g Ni(NO3)2·
6H2O、0.2～0.3g NH4F和0.6～0.8g(NH2)2CO加到30～40mL H2O中，持续搅拌20～40min得到清澈的浅绿色溶液；然后将干净的碳布基底浸入该浅绿色溶液中，110～130℃反应4～8h；冷却至室温后将碳布基底取出并用H2O和C2H5OH多次洗涤，得到表面生长Ni(OH)2的碳布基底；(2)表面生长Rh
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Ni(OH)2的碳布基底的制备将0.02g RhCl3·
xH2O超声溶解于8～15mL C2H5OH中，得到含Rh
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的溶液；将步骤(1)表面生长Ni(OH)2的碳布基底浸入该含Rh
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的溶液中静置1.5～3.0h，得到表面生长有Rh
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Ni(OH)2前驱体的碳布基底；将该碳布基底取出并用C2H5OH多次洗涤后室温干燥，得到表面生长Rh
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Ni(OH)2的碳布基底；(3)3D
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄科科，蔡敏敏，吴小峰，冯守华，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：