【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种pem电解水的非贵金属阴极析氢催化剂及其应用，属于电化学催化剂制备。
技术介绍
1、氢气具有比较高的能量密度，并且，氢气燃烧后的产物对环境无污染，因此，氢气被认为是最具潜力的清洁能源载体。绿氢是指通过可再生能源发电，再通过电解水获取氢气。电解水制氢是指在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子分解为氢气和氧气，分别在阴、阳极析出。电解水制氢现阶段主要有三种技术路线，即碱性（awe）电解水制氢、质子交换膜（pem）电解水制氢以及固体氧化物（soec）电解水制氢。其中，质子膜电解水制氢系统比碱性电解水制氢系统效率更高，产生的氢气更纯，比固体氧化物电解水制氢系统技术更成熟，是目前电解水制氢
研发的重点。
2、膜电极组件是质子交换膜电解水制氢系统的核心部件，主要由位于最中间的质子交换膜，位于质子交换膜两侧与质子交换膜紧密接触的阴、阳催化层，以及，位于催化层外侧的气体扩散层组成，其中，阴、阳催化层分别装载有阴极催化剂和阳极催化剂。在电解水制氢装置工作时，水在阳极催化剂的催化下产生并释放氧气，在阴极催化剂的催化下产生并释放氢气。对于质子交换膜电解水制氢装置的阴极析氢催化剂，目前使用最广泛的活性材料是铂纳米颗粒催化剂，但是，贵金属铂价格昂贵、资源有限，因此，开发非贵金属阴极析氢催化剂显得尤为重要。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提供了一种制备阴极析氢催化剂的方法，所述方法包含如下步骤：
2、碳材料前驱体溶液的制备：将碳基材料、掺杂化合物
3、掺杂多孔碳材料的制备：将碳材料前驱体溶液、软模板剂和硬模板剂混合后进行碳化反应，得到碳化产物；将碳化产物进行酸洗，得到掺杂多孔碳材料；
4、镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料的制备：将镍盐、钼盐、溶剂b、过硫酸铵和掺杂多孔碳材料混合后进行反应，得到含掺杂多孔碳材料和镍钼杂多酸簇前躯体的混合体系；将混合体系依次经老化、干燥和焙烧，得到镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料；
5、阴极析氢催化剂的制备：将镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料进行硫化反应，得到阴极析氢催化剂；
6、或者，所述方法包含如下步骤：
7、碳材料前驱体溶液的制备：将碳基材料和溶剂a混合后进行反应，得到碳材料前驱体溶液；
8、多孔碳材料的制备：将碳材料前驱体溶液、软模板剂和硬模板剂混合后进行碳化反应，得到碳化产物；将碳化产物进行酸洗，得到多孔碳材料；
9、镍钼杂多酸@多孔碳材料的制备：将镍盐、钼盐、溶剂b、过硫酸铵和多孔碳材料混合后进行反应，得到含多孔碳材料和镍钼杂多酸簇前躯体的混合体系；将混合体系依次经老化、干燥和焙烧，得到镍钼杂多酸@多孔碳材料；
10、阴极析氢催化剂的制备：将镍钼杂多酸@碳材料进行硫化反应，得到阴极析氢催化剂。
11、在本专利技术的一种实施方式中，所述碳材料前驱体溶液的制备包括：将碳基材料、掺杂化合物和溶剂a混合后，于300~600 r/min、10~30℃下超声搅拌0.5~6 h，得到混合物原液a；将混合物原液a以5~20℃·min-1的速度升温至60~180℃后，在60~180℃下反应6~36 h，得到碳材料前驱体溶液；
12、或者，所述碳材料前驱体溶液的制备包括：将碳基材料和溶剂a混合后，于300~600r/min、10~30℃下超声搅拌0.5~6 h，得到混合物原液a；将混合物原液a以5~20℃·min-1的速度升温至60~180℃后，在60~180℃下反应6~36 h，得到碳材料前驱体溶液。
13、在本专利技术的一种实施方式中，所述掺杂多孔碳材料或多孔碳材料的制备包括：将碳材料前驱体溶液于20~50℃下超声处理10~120 min后，边于300~600 r/min下搅拌边加入软模板剂，得到混合物原液b；将混合物原液b于200~800 r/min、20~50℃下搅拌10~60 min，得到混合物原液c；将混合物原液c于20~50℃下超声处理10~120 min后，边于300~600 r/min下搅拌边加入硬模板剂，得到混合物原液d；将混合物原液d于20~50℃下超声处理10~120 min后，于60~100℃下干燥6~24 h，得到干燥产物；在保护气的保护下，将干燥产物于600~1300℃下高温碳化10~60 min后，冷却至10~30℃，得到碳化产物；将碳化产物与酸性溶液混合后，先于200~800 r/min、30~60℃下搅拌20~120 min，然后过滤，弃去滤液，得到反应产物a；将反应产物a洗涤后，于60~100℃下干燥2~12 h，得到掺杂多孔碳材料或多孔碳材料。
14、在本专利技术的一种实施方式中，所述洗涤为：使用酸性溶液进行洗涤。
15、在本专利技术的一种实施方式中，所述镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料或镍钼杂多酸@多孔碳材料的制备的制备包括：将镍盐、钼盐和溶剂b混合后，于200~1200 r/min、60~90℃下搅拌30~150 min，并边搅拌边加入过硫酸铵，得到混合物原液e；在混合物原液e中加入掺杂多孔碳材料或多孔碳材料后，先于200~1200 r/min、60~90℃下搅拌60~240 min，再用酸性溶液调节ph值至4~5，最后于200~1200 r/min、60~90℃下搅拌20~120 min，得到含掺杂多孔碳材料和镍钼杂多酸簇前躯体的混合体系或含多孔碳材料和镍钼杂多酸簇前躯体的混合体系；将混合体系于80~120℃加热0.5~12 h进行老化后，冷却至10~30℃，得到老化产物；将老化产物过滤，弃去滤液，得到反应产物b；将反应产物b于60~80℃下干燥2~24 h后，在保护气的保护下，于250~400℃焙烧2~12 h，得到镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料或镍钼杂多酸@多孔碳材料。
16、在本专利技术的一种实施方式中，所述阴极析氢催化剂的制备包括：将镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料或镍钼杂多酸@多孔碳材料用保护气吹扫20~60 min后，先在硫化气体中以2~20℃/min的速度升温至300~600℃，再在硫化气体中于300~600℃下反应1~8 h以进行硫化，得到阴极析氢催化剂。
17、在本专利技术的一种实施方式中，所述碳基材料、掺杂化合物和溶剂a的质量比为1：0~0.3：0.2~10。
18、在本专利技术的一种实施方式中，所述碳材料前驱体溶液、硬模板剂和软模板剂的质量比为1~2：1~10：0.01~2。
19、在本专利技术的一种实施方式中，所述酸性溶液和碳化产物的质量比为100：1~20。
20、在本专利技术的一种实施方式中，所述镍盐中镍原子、钼盐中钼原子、溶剂b和过硫酸铵的摩尔比为1：3~10：10~100：0.5~2。
21、在本专利技术的一种实施方式中，所述混合物原液e和掺杂多孔碳材料的质量比为1：0.5~10；或者，所述混合物原液e和多孔碳材料的质量比为1：0.5~10。
22、在本专利技术的一种实施方式中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种制备阴极析氢催化剂的方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳材料前驱体溶液的制备包括：将碳基材料、掺杂化合物和溶剂A混合后，于300~600 r/min、10~30℃下超声搅拌0.5~6 h，得到混合物原液A；将混合物原液A以5~20℃·min-1的速度升温至60~180℃后，在60~180℃下反应6~36 h，得到碳材料前驱体溶液；
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂多孔碳材料或多孔碳材料的制备包括：将碳材料前驱体溶液于20~50℃下超声处理10~120 min后，边于300~600 r/min下搅拌边加入软模板剂，得到混合物原液B；将混合物原液B于200~800 r/min、20~50℃下搅拌10~60 min，得到混合物原液C；将混合物原液C于20~50℃下超声处理10~120 min后，边于300~600 r/min下搅拌边加入硬模板剂，得到混合物原液D；将混合物原液D于20~50℃下超声处理10~120 min后，于60~100℃下干燥6~24 h，得到干燥产物；在保护气的保护
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料或镍钼杂多酸@多孔碳材料的制备的制备包括：将镍盐、钼盐和溶剂B混合后，于200~1200 r/min、60~90℃下搅拌30~150 min，并边搅拌边加入过硫酸铵，得到混合物原液E；在混合物原液E中加入掺杂多孔碳材料或多孔碳材料后，先于200~1200 r/min、60~90℃下搅拌60~240 min，再用酸性溶液调节pH值至4~5，最后于200~1200 r/min、60~90℃下搅拌20~120 min，得到含掺杂多孔碳材料和镍钼杂多酸簇前躯体的混合体系或含多孔碳材料和镍钼杂多酸簇前躯体的混合体系；将混合体系于80~120℃加热0.5~12 h进行老化后，冷却至10~30℃，得到老化产物；将老化产物过滤，弃去滤液，得到反应产物B；将反应产物B于60~80℃下干燥2~24 h后，在保护气的保护下，于250~400℃焙烧2~12 h，得到镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料或镍钼杂多酸@多孔碳材料。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴极析氢催化剂的制备包括：将镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料或镍钼杂多酸@多孔碳材料用保护气吹扫20~60 min后，先在硫化气体中以2~20℃/min的速度升温至300~600℃，再在硫化气体中于300~600℃下反应1~8 h以进行硫化，得到阴极析氢催化剂。
6.如权利要求1~5任一项所述的方法，其特征在于，所述碳基材料、掺杂化合物和溶剂A的质量比为1：0~0.3：0.2~10；所述碳材料前驱体溶液、硬模板剂和软模板剂的质量比为1~2：1~10：0.01~2。
7.一种阴极析氢催化剂，其特征在于，所述阴极析氢催化剂是使用权利要求1~6任一项所述的方法制备得到的。
8.一种PEM电解水装置，其特征在于，所述PEM电解水装置包括PEM电解槽；所述PEM电解槽包括权利要求7所述的阴极析氢催化剂。
9.一种电解水制氢方法，其特征在于，所述方法为：将去离子水通入权利要求8所述的PEM电解水装置中进行电解，得到氢气。
10.权利要求1~6任一项所述的制备阴极析氢催化剂的方法或权利要求7所述的阴极析氢催化剂或权利要求8所述的PEM电解水装置或权利要求9所述的制备PEM电解水制氢方法在电解水制氢中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种制备阴极析氢催化剂的方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳材料前驱体溶液的制备包括：将碳基材料、掺杂化合物和溶剂a混合后，于300~600 r/min、10~30℃下超声搅拌0.5~6 h，得到混合物原液a；将混合物原液a以5~20℃·min-1的速度升温至60~180℃后，在60~180℃下反应6~36 h，得到碳材料前驱体溶液；
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂多孔碳材料或多孔碳材料的制备包括：将碳材料前驱体溶液于20~50℃下超声处理10~120 min后，边于300~600 r/min下搅拌边加入软模板剂，得到混合物原液b；将混合物原液b于200~800 r/min、20~50℃下搅拌10~60 min，得到混合物原液c；将混合物原液c于20~50℃下超声处理10~120 min后，边于300~600 r/min下搅拌边加入硬模板剂，得到混合物原液d；将混合物原液d于20~50℃下超声处理10~120 min后，于60~100℃下干燥6~24 h，得到干燥产物；在保护气的保护下，将干燥产物于600~1300℃下高温碳化10~60 min后，冷却至10~30℃，得到碳化产物；将碳化产物与酸性溶液混合后，先于200~800 r/min、30~60℃下搅拌20~120 min，然后过滤，弃去滤液，得到反应产物a；将反应产物a洗涤后，于60~100℃下干燥2~12 h，得到掺杂多孔碳材料或多孔碳材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镍钼杂多酸@掺杂多孔碳材料或镍钼杂多酸@多孔碳材料的制备的制备包括：将镍盐、钼盐和溶剂b混合后，于200~1200 r/min、60~90℃下搅拌30~150 min，并边搅拌边加入过硫酸铵，得到混合物原液e；在混合物原液e中加入掺杂多孔碳材料或多孔碳材料后，先于200~1200 r/m...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈明忠，胡小夫，王昕，李诗玉，白建明，单小勇，
申请(专利权)人：华电重工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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