一种Er-MOF/NiS析氢电催化剂的制备与应用制造技术

技术编号：40187804 阅读：7 留言：0更新日期：2024-01-26 23:51

本发明专利技术公开了一种Er‑MOF/NiS析氢催化剂的制备与应用，属于纳米材料制备领域。本发明专利技术提供了一种简便的溶剂热法制备Er‑MOF/NiS电催化剂的方法。研究了Er‑MOF/NiS在1M KOH电解液中对析氢反应（HER）的催化活性。结果表明，该催化剂具有较好的催化活性，在电流密度为10 mA·cm<supgt;‑2</supgt;时的过电位为215 mV，Tafel斜率最小为86.58 mV·dec<supgt;‑1</supgt;，优于NiS（300 mV，136.95 mV·dec<supgt;‑1</supgt;）和Er‑MOF（630 mV，196.77 mV·dec<supgt;‑1</supgt;）。Er‑MOF/NiS的电荷转移电阻为15.20Ω，比原始Er‑MOF降低了99.8%（7893.68Ω）。此外，计时电位法测试结果表明，Er‑MOF/NiS催化剂在48小时后仍能保持良好的析氢性能，稳定性优于Er‑MOF和NiS。Er‑MOF/NiS具有良好的催化活性和高效的反应动力学，这是由于其具有大量的活性中心和较高的导电性。多孔结构MOFs的存在增加了催化剂的比表面积，使其具有更多的活性中心，而NiS的存在提高了催化剂的电导率。本发明专利技术为提高稀土金属有机框架材料在碱性电解液中的析氢反应提供了可行的方案。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种er-mof/nis析氢催化剂的制备与应用，属于纳米材料制备领域。

技术介绍

1、煤、石油、天然气等化石燃料极大地促进了社会进步，并为人类带来了不可估量的价值。然而，在缺乏替代能源的情况下过度开采化石燃料将不可避免地导致这种不可再生资源的枯竭。氢能作为一种高能量密度、零碳排放、环境友好的清洁能源，被认为是化石燃料最具竞争力的替代品之一。电化学水裂解制氢具有产氢纯度高、条件温和，环境友好的特点，析氢反应（her）是电化学水裂解制氢的关键反应。铂阴极催化剂作为最理想的析氢反应催化剂，具有优异的析氢催化性能。然而，铂资源短缺导致其成本较高，阻碍了电化学水裂解制氢的工业化进程。因此，如何提高析氢反应催化剂的效率和稳定性，并降低其生产成本是当前研究的主要方向。

2、由于其高孔隙率和比表面积，金属有机框架（mofs）已被广泛应用于电化学领域，尤其是作为能量相关反应的电催化剂。稀土金属有机框架（re-mofs）作为金属有机框架的一个重要分支，在木材干燥、阻燃剂和免疫传感器等领域具有广阔的应用前景。然而，稀土金属有机框架很少被用于电化学领域，这是由于稀土金属有机框架固有的低电导率限制了其在水裂解制氢的广泛应用。硫化镍因其固有的金属性质和高导电性而受到广泛关注。然而，作为具有单一活性中心的单组分材料，硫化镍由于其固有的低氢吸附和解吸能力而表现出较差的电催化活性。因此，需要更多的策略来解决上述问题，使硫化镍能够广泛应用于高效电化学水裂解。

技术实现思路

1、基于上述问题，

2、为实现上述
技术实现思路
，本专利技术采用以下技术方案来实现：

3、一种er-mof/nis析氢催化剂的制备与应用，包括以下步骤：

4、（1）将五水硝酸铒和柠檬酸溶于去离子水和无水乙醇中形成a溶液，将对苯二甲酸溶于n，n-二甲基甲酰胺和无水乙醇中形成b溶液，超声处理1小时后，将a溶液和b溶液混合搅拌均匀形成混合溶液c；

5、（2）将混合溶液c倒入聚四氟乙烯内衬反应釜中，于200℃反应12小时后离心取沉淀，将所述沉淀洗涤后真空干燥，得到铒基金属有机框架er-mof；

6、（3）将er-mof和适量柠檬酸溶解在n，n-二甲基甲酰胺中形成溶液d，将六水硫酸镍和硫代乙酰胺溶解在去离子水中形成溶液e，超声处理1小时后，将d溶液和e溶液混合搅拌均匀形成混合溶液f；

7、（4）将混合溶液f转移到聚四氟乙烯内衬反应釜中，在180℃下反应12小时后离心取沉淀，然后清洗并干燥样品，得到er-mof/nis析氢催化剂；

8、（5）进行析氢电化学测试。

9、优选地，所述步骤（1）中，五水硝酸铒、柠檬酸和对苯二甲酸的摩尔比为5：1：5，去离子水、无水乙醇和n，n-二甲基甲酰胺的体积比为2：1：2；

10、优选地，所述步骤（2）中，铒基金属有机框架er-mof具有尺寸为300~400 nm的球状结构；

11、优选地，所述步骤（3）中，n，n-二甲基甲酰胺和去离子水的体积比为1：1，六水硫酸镍和硫代乙酰胺的摩尔比为1：2；

12、优选地，所述步骤（4）中，er-mof/nis由尺寸约为1 μm的团聚纳米颗粒组成，表面有大量褶皱，有利于催化活性位点的暴露；

13、优选地，所述步骤（5）中，在标准的三电极电化学测试中，使用电化学工作站（zahner, zennium）进行电化学测量，分别使用碳棒和ag/agcl电极作为对电极和参比电极，工作电极为玻碳电极（gce，直径为3 mm）。研究er-mof/nis在1m koh电解液中对析氢反应的催化活性。结果表明，该催化剂具有较好的催化活性，在10 ma·cm-2时的过电位为215mv，tafel斜率最小为86.58 mv·dec-1，优于nis（300 mv，136.95 mv·dec-1）和er-mof（630 mv，196.77 mv·dec-1）。er-mof/nis的电荷转移电阻为15.20 ω，比原始er-mof降低了99.8%（7893.68 ω）。此外，计时电位法测试结果表明，er-mof/nis催化剂在48小时后仍能保持良好的析氢性能，稳定性优于er-mof和nis。

14、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：

15、1.本专利技术以对苯二甲酸、柠檬酸和五水硝酸铒为原料，通过溶剂热法合成了结晶度高，形貌规整，尺寸为300~400 nm的球状结构铒基金属有机框架er-mof。

16、2.本专利技术以er-mof为前驱体，采用溶剂热法合成了er-mof/nis。er-mof/nis具有良好的催化活性和高效的反应动力学，这是由于其具有大量的活性中心和较高的导电性。

17、3.本专利技术中，er-mof和nis掺杂的金属组分之间的协同作用是提高催化剂活性和稳定性的重要原因，多孔结构mofs的存在增加了催化剂的比表面积，而nis的存在提高了催化剂的电导率。这为提高稀土mofs在碱性电解液中的析氢反应提供了可行的方案。

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【技术保护点】

1.一种Er-MOF/NiS析氢电催化剂的制备与应用，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的Er-MOF/NiS析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，五水硝酸铒、柠檬酸和对苯二甲酸的摩尔比为5：1：5，去离子水、无水乙醇和N，N-二甲基甲酰胺的体积比为2：1：2。

3.根据权利要求1所述的Er-MOF/NiS析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，铒基金属有机框架Er-MOF具有尺寸为300~400 nm的球状结构。

4.根据权利要求1所述的Er-MOF/NiS析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，N，N-二甲基甲酰胺和去离子水的体积比为1：1，六水硫酸镍和硫代乙酰胺的摩尔比为1：2。

5.根据权利要求1所述的Er-MOF/NiS析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，Er-MOF/NiS由尺寸约为1 μm的团聚纳米颗粒组成，表面有大量褶皱，有利于催化活性位点的暴露。

6.根据权利要求1所述的Er-MOF/NiS析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的Er-MOF/NiS析氢电催化剂的应用，其特征在于，所述应用是作为电解水制氢气反应中的催化剂。

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【技术特征摘要】

1.一种er-mof/nis析氢电催化剂的制备与应用，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的er-mof/nis析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，五水硝酸铒、柠檬酸和对苯二甲酸的摩尔比为5：1：5，去离子水、无水乙醇和n，n-二甲基甲酰胺的体积比为2：1：2。

3.根据权利要求1所述的er-mof/nis析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，铒基金属有机框架er-mof具有尺寸为300~400 nm的球状结构。

4.根据权利要求1所述的er-mof/nis析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，n，n-二甲基甲酰胺和去离子水的体积比为1：1，六水硫酸镍和硫代乙酰胺的摩尔比为1：2。

5.根据权利要求1所述的er-mof/nis析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，er-mof/nis由尺寸约为1 μm的团聚纳米颗粒组成，表面有大量褶皱，有利于催化活性位点的暴露。

6.根据权利要求1所述的er-mof/n...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂明，石瑞杰，王丽，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：

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