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一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂及其制备方法和应用技术

技术编号:39440338 阅读:12 留言:0更新日期:2023-11-19 16:23
本发明专利技术是一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂及其制备方法和应用,制备步骤包括,(1)将2

【技术实现步骤摘要】
一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及催化材料
,具体是一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂及其制备方法和应用


技术介绍

[0002]电解水技术是一种高效

清洁

高纯的制氢技术

水分解由两个半反应组成:析氢(
HER
)和析氧(
OER


其中,
OER 是一种四

电子

质子偶联反应,其反应过程复杂,需要更高的能量(更高的过电位)来克服反应势垒

因此,缓慢的 OER 动力学是阻碍整体水分解应用的关键问题之一

在目前,
RuO2 或 IrO2 等电催化剂有效地降低了 OER 活化势垒并促进了反应过程

然而,这些贵金属电催化剂的高成本限制了它们的商业应用

因此,非常有必要采用更经济和丰富的非贵金属基化合物作为电解水分解催化剂

例如,氧化物

氢氧化物

层状双氢氧化物 (LDH)、
金属有机框架
(MOF) 等
。LDH 是基于带正电荷的层状结构,层间有阴离子和水分子

这种层状结构可以使溶液充分包裹住催化剂,进行充分反应

[0003]在这些非贵金属电催化剂中,
CoMn
r/>LDH 因其优异的 OER 性能在候选材料中脱颖而出,已被广泛研究作为 OER 催化剂

然而,由于 Mn 和 Co 的层间位置的不同而导致的晶格失配会引起电荷转移电阻的增加,从而阻碍反应的继续进行

目前,原子掺杂策略已成为一种流行的策略来调控电子分布,这有利于优化反应中间体的吸附能,从而提高水分解效率

因此在这里,我们提出了一种通过原子掺杂策略在柔性碳纤维布上制备具有晶格缺陷的蜂巢结构 N@CoMn

LDH/CC 电化学水分解催化剂的新方法,这种结构可以使电解液得到充分浸润,极大地降低电荷转移电阻


技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足,而提供一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂及其制备方法,本专利技术所采取的技术方案如下:第一方面,提供一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂的制备方法,包括以下步骤:步骤一:将2‑
甲基咪唑溶液快速加入硝酸钴六水合物溶液中,形成蓝紫色悬浮液,随后,将一块碳布浸泡在该溶液中,并在室温下放置

反应结束后,取出
ZIF/CC
,用去离子水洗涤数次,并在
60℃
的烘箱中干燥备用;步骤二:将含锰化合物溶解在去离子水中以形成澄清溶液,随后,将
ZIF
浸泡在上述溶液中,反应结束后,取出
CoMn

LDH/CC
,用去离子水洗涤数次,并在
60℃
的烘箱中干燥备用;步骤三:将
CoMn

LDH/CC
放置在温度可控的
ALD
室中,使用一定功率并暴露于氮等离子体中,在等离子体氮化过程中,保持一定的工作压力保持和氮气流速

[0005]作为优选,步骤一中,2‑
甲基咪唑的质量为
600

900 mg
,硝酸钴六水合物的质量为
250

400 mg
,时间为6‑
12 h。
反应结束后得到钴的
ZIF
,标记为
Co

ZIF/CC
;步骤二中,氯化锰的质量为
60

100 mg
,溶液体积为
20

80 ml
,时间为2‑
12h
,反应结束后得到
CoMn

LDH/CC
;步骤二中,含锰化合物,即锰的来源可以为氯化锰

高锰酸盐

锰酸盐其中任一种或多种;步骤三中,
ALD
室温度为
160

240 ℃
,功率为
250

750 W
,时间为
15

45s
(时间最优选为
30s
),压力为
0.58

0.98 mbar
,氮气流速为
50

150 sccm
,得到最终产物
N@CoMn

LDH/CC。
[0006]第二方面,还包括上述制备方法制备得到高效电催化剂,作为优选,所述的高效电催化剂应用于碱性条件下电解水

[0007]本专利技术的有益效果如下:
1. 本专利技术采用将2‑
甲基咪唑,六水合硝酸钴和氯化锰溶液在常温下浸泡的方法,在碳布上生长钴锰双层氢氧化物材料,然后经过氮等离子体掺杂,最终形成具有蜂巢结构的纳米片多孔结构,这种具有晶格缺陷的结构增加了活性表面积,从而提高电子传输速率以及增加对析氧反应中间体的吸附能力;碳布提供一个三维结构,有利于增加材料的导电性;
2. 本专利技术的催化剂中的氮原子具有良好的配位能力,可对中心原子的电子结构进行大幅调控,充分发挥每个活性位点的催化性能,更有助于水分子的解离和氢的脱附,也能提高催化剂的稳定性

附图说明
[0008]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴

[0009]图1为实施例1中
CoMn

LDH/CC

N@CoMn

LDH/CC
的扫描电镜图,从图中可以看出经过掺杂后的
CoMn

LDH/CC
表面变的粗糙,逐渐形成蜂窝状的结构,证明氮原子成功掺杂进
CoMn

LDH/CC
;图2为实施例
1、2、3

Co

ZIF/CC、CoMn

LDH/CC

N@CoMn

LDH/CC

XRD
图,从图中可以看出
N@CoMn

LDH/CC
相对于
CoMn
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一:将2‑
甲基咪唑溶液加入硝酸钴六水合物溶液中,形成蓝紫色悬浮液,随后将碳布浸泡在该悬浮液中一段时间后得到
Co

ZIF/CC
,再用去离子水洗涤并干燥备用;步骤二:将含锰化合物溶解在去离子水中形成溶液,随后将步骤一中的
Co

ZIF/CC
浸泡在该溶液中得到
CoMn

LDH/CC
,再用去离子水洗涤并干燥备用;步骤三:将
CoMn

LDH/CC
放置在温度可控的
ALD
室中,暴露于氮等离子体中进行等离子体氮化得到
N@CoMn

LDH/CC。2.
根据权利要求1所述的一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂的制备方法,其特征在于,步骤二中所述含锰化合物包括氯化锰

高锰酸盐

锰酸盐中一种或多种
。3.
根据权利要求1所述的一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂的制备方法,其特征在于,在等离子体氮化过程中,工作压力保持在
0.58

0.98 mbar
,氮气流速为
50

150 sccm。4.
根据权利要求1所述的一种原子掺杂策略构筑的高效电解水催化剂的制备方法,其特征在于:在等离子体氮化过程中,将
CoMn

LDH/CC
在温度为
160

240 ℃、
功率为
250

750 W
的典型
ALD
室中暴露于氮等离子体中
15

45...

【专利技术属性】
技术研发人员:郭大营杨琳陈锡安金辉乐
申请(专利权)人:温州大学
类型:发明
国别省市:

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