一种双功能电解水催化材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种双功能电解水催化材料及其制备方法与应用，该双功能电解水催化材料包括泡沫镍及负载于泡沫镍上的沸石咪唑酯骨架结构材料，沸石咪唑酯骨架结构材料包括过渡金属和非金属元素，过渡金属为锌或钴，非金属元素包括磷

【技术实现步骤摘要】
一种双功能电解水催化材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及电解水制氢
，具体涉及一种双功能电解水催化材料及其制备方法与应用
。

技术介绍

[0002]随着传统化石能源的日渐消耗以及对于全球气候变暖的担忧，世界各国都在积极推进清洁能源的发展，尤其是风能
、
水电
、
太阳能等可再生清洁能源
。
但这些清洁能源具有间歇性和波动性的缺点，即难以持续
、
稳定地输出能量，所以很难被利用
。
因此，需要一个合适的能源载体对能源进行存储
。
在众多的备选者中，氢能以清洁
、
高效
、
无污染
、
应用广泛，可以进行存储和运输的特点被视为最理想的能源载体
。
[0003]将可再生清洁能源转化为氢能最具实用性
、
最清洁的方法便是电解水
。
目前，电解水装置主要分为三种，包括碱性电解水
(AWE)
装置，质子交换膜电解水
(PEM)
装置以及固体氧化物电解水装置
。
其中，碱性电解水
(AWE)
装置是目前世界各国最常用
、
最成熟的电解水制氢装置
。
碱性电解水装置中，碱性电解槽的电极是决定电解水制氢效率的关键，对于电极，主要从开发高活性催化剂电极
、
提高电流密度
、
开发高强度电极三方面着手，以进一步提高碱性电解水制氢的效率
。
[0004]一个电解小室中有两张催化剂，一个在阴极，一个在阳极，分布在隔膜的两侧与隔膜直接接触，由于催化剂与极板间的接触会导致腐蚀，现有技术中采取的措施是在与催化剂接触的极板上电镀与催化剂相同的材料
。
例如极板的材料为碳钢，而催化剂是
Ni
，由于碳钢中的
Fe
比
Ni
更活泼，所以在电解液中容易发生
Fe
的腐蚀，即极板的腐蚀
。
因此，实际操作中，为了避免接触腐蚀的问题，需要在与催化剂接触的极板上在电镀一层贵金属，或者使用较昂贵的贵金属催化剂
(
如
Au
，
Pt
等
)
，以提高催化性能，但是其成本代价可想而知
。
[0005]因此，亟需开发成本较低且高效的电解水催化材料
。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中电解水制氢使用贵金属材料制备膜电极的阳极催化材料导致成本过高的问题，本专利技术的目的在于提供一种用于双功能电解水催化材料及其制备方法与应用，以过渡金属材料代替贵金属材料，使电解水制氢摆脱对贵金属的依赖，同时电解水制氢的效率和电解槽的使用寿命
。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]第一个方面，本申请提供一种双功能电解水催化材料，所述双功能电解水催化材料包括泡沫镍及负载于所述泡沫镍上的沸石咪唑酯骨架结构材料，所述沸石咪唑酯骨架结构材料包括过渡金属和非金属元素，所述过渡金属为锌或钴，所述非金属元素包括磷
。
[0009]在本申请的一些实施例中，所述非金属元素还包括硒
。
[0010]第二个方面，本申请提供一种双功能电解水催化材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1、
对泡沫镍进行预处理后，将所述泡沫镍置于包括锌源或钴源的溶液中进行电
沉积，得到负载有锌源或钴源的泡沫镍；
[0012]S2、
将负载有锌源或钴源的泡沫镍置于2‑
甲基咪唑的醇溶液中加热反应后，取出清洗，并进行干燥，得到负载有沸石咪唑酯骨架结构材料的泡沫镍；
[0013]S3、
加热磷源，采用化学气相沉积将所述磷源沉积到所述负载有沸石咪唑酯骨架结构材料的泡沫镍上，得到双功能电解水催化材料
。
[0014]本申请中，步骤
S1
中，对泡沫镍进行电沉积，得到负载有锌源或钴源的泡沫镍，其中，锌源或钴源分别以氢氧化锌或氢氧化钴的形式负载于泡沫镍上
。
[0015]在本申请的一些实施例中，步骤
S1
中，所述预处理的步骤如下：将所述泡沫镍置于去离子水中进行超声处理5～
10min
，再将其加入
0.3
～
0.6mol/L
的盐酸溶液中静置
0.5
～
1h
，最后采用去离子水清洗2～5次
。
[0016]在本申请的一些实施例中，步骤
S1
中，所述锌源为硝酸锌
、
硫酸锌中的至少一种
。
[0017]在本申请的一些实施例中，步骤
S1
中，所述钴源为硝酸钴
、
乙酸钴中的至少一种
。
[0018]在本申请的一些实施例中，步骤
S2
中，所述醇溶液为甲醇或乙醇
。
[0019]在本申请的一些实施例中，步骤
S2
中，所述加热的温度为
80
～
90℃
，优选为
80
～
85℃
；时间为
1.5
～
2.5h
，优选为2～
2.5h。
[0020]在本申请的一些实施例中，步骤
S2
中，所述干燥的温度为
20
～
25℃
，优选为
23
～
25℃
；时间为3～
5h
，优选为3～
4h。
[0021]在本申请的一些实施例中，步骤
S2
中，还包括将所述负载有沸石咪唑酯骨架结构材料的泡沫镍置于亚硒酸盐溶液中，加入还原剂，进行还原反应
。
[0022]在本申请的一些实施例中，步骤
S2
中，所述亚硒酸盐为亚硒酸钾
、
亚硒酸钠中的至少一种
。
[0023]在本申请的一些实施例中，步骤
S2
中，所述还原剂为亚硫酸
。
[0024]在本申请的一些实施例中，步骤
S2
中，所述亚硒酸盐与还原剂的摩尔比为1：
2.05
～
2.15
，优选为1：
2.10
～
2.15。
[0025]本申请中，通过向亚硒酸盐溶液中加入还原剂进行还原反应，使亚硒酸盐中的亚硒酸根离子被还原，得到单质硒，经过高温处理使其负载于泡沫镍上
。
[0026]在本申请的一些实施例中，步骤
S3
中，所述磷源为次磷酸或次磷酸钠
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双功能电解水催化材料，其特征在于：所述双功能电解水催化材料包括泡沫镍及负载于所述泡沫镍上的沸石咪唑酯骨架结构材料，所述沸石咪唑酯骨架结构材料包括过渡金属和非金属元素，所述过渡金属为锌或钴，所述非金属元素包括磷
。2.
根据权利要求1所述的双功能电解水催化材料，其特征在于：所述非金属元素还包括硒
。3.
一种如权利要求1或2所述的双功能电解水催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
对泡沫镍进行预处理后，将所述泡沫镍置于包括锌源或钴源的溶液中进行电沉积，得到负载有锌源或钴源的泡沫镍；
S2、
将负载有锌源或钴源的泡沫镍置于2‑
甲基咪唑的醇溶液中加热反应后，取出清洗，并进行干燥，得到负载有沸石咪唑酯骨架结构材料的泡沫镍；
S3、
加热磷源，采用化学气相沉积将所述磷源沉积到所述负载有沸石咪唑酯骨架结构材料的泡沫镍上，得到双功能电解水催化材料
。4.
根据权利要求3所述的双功能电解水催化材料的制备方法，其特征在于：步骤
S1
中，所述预处理的步骤如下：将所述泡沫镍置于去离子水中进行超声处理5～
10min
，再将其加入
0.3
～
0.6mol/L
的盐酸溶液中静置
0.5
～
1h
，最后采用去离子水清洗2～5次
。5.
根据权利要求3所述的双功能电解水催化材料的制备方法，其特征在于：步骤
S1
中，所述锌源为硝酸锌
、
硫酸锌中的至少一种；和
/
或，步骤
S1
中，所述钴源为硝酸钴
、
乙酸钴中的至少一种
。6.
根据权利要求3所述的双功能电解水催化材料的制备方法，其特征在于：步骤
S2
中，所述醇溶液为甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：张童，许帅，王晓萌，请求不公布姓名，周振声，
申请(专利权)人：上海莒纳新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：