一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法及其应用，所述制备方法包括第一阶段反应、第二阶段反应、烘干、煅烧、磷化；所述第一阶段反应的方法为将FeCl3乙醇溶液和Fe3O4@Au纳米材料混合，然后在69

【技术实现步骤摘要】
一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法及其应用


[0001]本专利技术专利涉及电催化制氢材料领域，具体涉及一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]目前，世界上传统化石能源面临枯竭，为了克服世界能源危机，迫切需要找到化石燃料的替代品，近些年来虽然电能也在逐渐的成为传统化石能源的替代品，但是目前电能从生产上来说，不稳定的发电系统例如：风力发电、光伏发电无法提供长期有效电力供应，从电力储存和运输上来说，有相当一部分的电能在储存和运输过程当中受到损失。而且受到电池能量密度的限制，充放电速率较慢一直是人类悬而未决的难题，时间成本已经成为人类使用新能源的一大痛点。而氢能源，依靠燃烧氢气或者通过质子交换膜进行反应，由化学能转化为动能来提供能量，其反应产物只有水分子，并且可以通过电解水技术再次生成氢气进行能源储存，目前来说，氢能源这种清洁能源是代替传统化石能源的一大研究热点。
[0003]电化学水分解制氢是一项重要的清洁能源技术，它可以将不稳定的电能转化为稳定的化学能，并且可以极大地减少类似于电能传输和储存过程当中所产生的能源浪费。但电化学水分解制氢需要活性较高的氢析出电化学催化剂。近年来，研究人员开发了大量的催化剂，如硫化物、氮化物、磷化物、碳化物等。其中，过渡金属磷化物纳米催化剂因其理论上较高的催化活性，近年来得到了广泛的研究，特别是磷化铁纳米催化剂在磷化物中具有较高的电导率和HER催化活性。现有的电解水氢析出用电化学催化剂的稳定性较差，使用寿命短，催化反应速率慢。

技术实现思路
/>[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法及其应用，实现以下专利技术目的：制备的电催化制氢用阴极催化剂，稳定性高，使用寿命长，催化反应速率快，催化活性高。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采取以下技术方案：一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法，所述制备方法包括第一阶段反应、第二阶段反应、烘干、煅烧、磷化；所述第一阶段反应的方法为将FeCl3乙醇溶液和Fe3O4@Au纳米材料混合，然后在69
‑
71℃的水浴中加热14
‑
16分钟后，使用乙醇清洗样品，得到Fe3O4@Au负载Fe离子的纳米材料；所述第二阶段反应的方法为，将H3BTC乙醇溶液和Fe3O4@Au负载Fe离子的纳米材料混合，然后在温度为69
‑
71℃的水浴中加热29
‑
31分钟后，使用乙醇清洗样品，真空干燥后得到MOF包覆的Fe3O4@Au负载Fe离子纳米材料。
[0006]所述煅烧的方法为将MOF包覆的Fe3O4@Au负载Fe离子纳米材料在895
‑
905℃下煅烧1.8
‑
2.2h，得到易于磷化的Fe3O4@Au
‑
Fe纳米材料；所述磷化的方法为将易于磷化的Fe3O4@Au
‑
Fe纳米材料在445
‑
455℃磷化1.8
‑
2.2小时，得到Fe3O4@Au
‑
Fe2P纳米材料。
[0007]所述FeCl3乙醇溶液的浓度为9
‑
11mM；所述Fe3O4@Au纳米材料和FeCl3乙醇溶液的质量体积比为4.9
‑
5.1mg:1mL；所述H3BTC乙醇溶液的浓度为9
‑
11mM；所述FeCl3乙醇溶液和H3BTC乙醇溶液的体积比为1:0.9
‑
1.1。
[0008]所述Fe3O4@Au纳米材料的制备方法包括酸处理、制备Fe3O4悬浮液、搅拌反应；所述酸处理的方法为将Fe3O4纳米材料和0.9
‑
1.1M的盐酸溶液混合后进行超声处理4.8
‑
5.2min，超纯水清洗后得到酸处理的Fe3O4纳米材料；所述制备Fe3O4悬浮液的方法为将酸处理的Fe3O4纳米材料加入9.8
‑
10.2g
·
L
‑1半胱氨酸水溶液中，加入去离子水进行充分混合，混合后进行超声处理0.9
‑
1.1小时，将产物使用超纯水清洗干净后，加入超纯水形成Fe3O4悬浮液。
[0009]所述搅拌反应，将24.5
‑
25.5 mM的氯金酸溶液逐滴加入到Fe3O4悬浮液后，在950
‑
1050rpm下搅拌2.9
‑
3.1小时后，加入0.9
‑
1.1 wt%抗坏血酸溶液，在950
‑
1050rpm下再搅拌2.9
‑
3.1小时，得到Fe3O4@Au纳米材料溶液，经分离、清洗、干燥得到Fe3O4@Au纳米材料。
[0010]所述Fe3O4纳米材料和盐酸溶液的质量体积比为3.9
‑
4.1mg:1mL；所述盐酸溶液与半胱氨酸水溶液的体积比为1:1.8
‑
2.2；所述半胱氨酸水溶液与去离子水的体积比为1：1.8
‑
2.2。
[0011]所述氯金酸溶液与Fe3O4纳米材料的体积质量比为1mL：9.8
‑
10.2mg；所述氯金酸溶液与抗坏血酸溶液的体积比为1:2.4
‑
2.6。
[0012]所述Fe3O4纳米材料的制备方法为将六水合氯化铁、醋酸钠和聚乙二醇混合，加入乙二醇进行溶解，控制搅拌转速为950
‑
1050rpm，搅拌29
‑
31min，然后加热到198
‑
202℃并维持7.8
‑
8.2小时，自然冷却到室温，经清洗、干燥得到Fe3O4纳米材料。
[0013]所述六水合氯化铁、聚乙二醇、醋酸钠的摩尔比为1:0.018
‑
0.022:8.7
‑
8.9；所述聚乙二醇的分子量为10000；所述醋酸钠与乙二醇的质量体积比为1g：10
‑
12mL。
[0014]所述的催化剂在电催化制氢中的应用，所述催化剂为Fe3O4@Au
‑
Fe2P纳米材料。
[0015]与现有技术相比，本专利技术取得以下有益效果：本专利技术所述催化剂基于Fe3O4@Au等离子体结构，并以多孔Fe2P进行负载。于Fe和P之间的电子相互作用，以及Fe2P的高孔隙率和等离子体Fe3O4@Au的增强促进了氢的沉淀和电子的转移，从而提高了HER体系的电催化性能，在可见光下表现出更高的稳定性。
[0016]本专利技术制备的Fe3O4@Au
‑
Fe2P纳米材料，在碱性条件中表现出较好的氢析出反应活性；具有相对优异的塔菲尔斜率，塔菲尔斜率为108.41mv dec
‑1。
[0017]本专利技术制备的Fe3O4@Au
‑
Fe2P纳米材料，在氧饱和的0.1M氢氧化钾溶液中，经过28000s长时间计时电流测试后，相对电流密度变化较小，具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括第一阶段反应、第二阶段反应、烘干、煅烧、磷化；所述第一阶段反应的方法为将FeCl3乙醇溶液和Fe3O4@Au纳米材料混合，然后在69
‑
71℃的水浴中加热14
‑
16分钟后，使用乙醇清洗样品，得到Fe3O4@Au负载Fe离子的纳米材料；所述第二阶段反应的方法为，将H3BTC乙醇溶液和Fe3O4@Au负载Fe离子的纳米材料混合，然后在温度为69
‑
71℃的水浴中加热29
‑
31分钟后，使用乙醇清洗样品，真空干燥后得到MOF包覆的Fe3O4@Au负载Fe离子纳米材料。2.根据权利要求1所述的一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法，其特征在于：所述煅烧的方法为将MOF包覆的Fe3O4@Au负载Fe离子纳米材料在895
‑
905℃下煅烧1.8
‑
2.2h，得到易于磷化的Fe3O4@Au
‑
Fe纳米材料；所述磷化的方法为将易于磷化的Fe3O4@Au
‑
Fe纳米材料在445
‑
455℃磷化1.8
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2.2小时，得到Fe3O4@Au
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Fe2P纳米材料。3.根据权利要求1所述的一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法，其特征在于：所述FeCl3乙醇溶液的浓度为9
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11mM；所述Fe3O4@Au纳米材料和FeCl3乙醇溶液的质量体积比为4.9
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5.1mg:1mL；所述H3BTC乙醇溶液的浓度为9
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11mM；所述FeCl3乙醇溶液和H3BTC乙醇溶液的体积比为1:0.9
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1.1。4.根据权利要求1或3所述的一种电催化制氢用阴极催化剂的制备方法，其特征在于：所述Fe3O4@Au纳米材料的制备方法包括酸处理、制备Fe3O4悬浮液、搅拌反应；所述酸处理的方法为将Fe3O4纳米材料和0.9
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1.1M的盐酸溶液混合后进行超声处理4.8
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5.2min，超纯水清洗后得到酸处理的Fe3O4纳米材料；所述制备Fe3O4悬浮液的方法为将酸处理的Fe3O4纳米材料加入9.8
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10.2g
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‑1半胱氨酸水溶液中，加入去离子水进行充分混合，混合后进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：程终发，王东海，周荣奇，王宁宁，姚娅，华艳飞，渐倩，任真真，
申请(专利权)人：氢力新材料山东有限公司，
类型：发明
国别省市：