一种电解水自支撑催化剂及其制备方法、应用

本发明属于催化剂的，尤其涉及一种电解水自支撑催化剂及其制备方法、应用。

背景技术：

1、随着人类社会和全球经济的迅速发展，传统化石燃料的消耗造成了严重的全球环境问题和能源危机。在“双碳”目标的驱动下，开发高效、低碳、可持续的清洁能源及能源储存转化技术是解决问题的有效途径。利用可再生电力驱动的电化学水分解制备高纯度氢气(h2)是一种很有前景的可持续能源策略。析氢反应(her)缓慢的动力学极大地阻碍了水裂解的能源效率和大规模应用，因此需要高效耐用的电催化剂。

2、现有的电催化剂在低电流密度(≤100macm-2)下工作良好，稳定性有限，不适合大规模的水分解制氢。另外，这些催化剂通常是粉末状，但由于繁琐的浆料电极制备过程，在工业水平电流密度(>500macm-2)下对her需要较高的过电位。而且在工业级电流密度、强酸性和强碱性溶液等极端催化反应环境下，催化活性和耐久性容易降低。

技术实现思路

1、本发明的目的就是解决背景技术中的问题，提出一种电解水自支撑催化剂及其制备方法、应用。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种电解水自支撑催化剂的制备方法，包括以下几个步骤：

3、选取碳化木材作为基底，将其放入金属盐溶液中采用电化学沉积技术在碳化木材上原位电沉积过渡金属，得到金属和碳化木材杂化的前驱体；

4、将上述前驱体和三聚氰胺进行共热解，使得金属纳米粒子包覆在氮掺杂的碳纳米管中，并原位生长在碳化木材上，得到电解水自支撑催化剂。

5、作为优选，所述碳化木材是由天然木材在高温下碳化得到，天然木材包括但不限于天然山毛榉木片和竹子。

6、作为优选，所述碳化木材是由天然木材在碳化温度为850～950℃、碳化时间为1～3h条件下碳化得到。

7、作为优选，所述金属盐溶液为硝酸镍溶液、硝酸钴溶液和硝酸铁溶液中的至少一种，金属盐溶液的溶度为0.03～0.08m。

8、作为优选，所述金属为fe、co、ni中的至少一种，该金属与上述金属盐溶液中所含金属相对应。

9、作为优选，所述共热解在保护气体氛围、热解温度为700～900℃、热解时间为1～3h条件下进行，保护气体包括但不限于氮气和氩气，热解温度的高低会影响共热解形成的碳纳米管的直径大小，热解时间的长短会影响共热解形成的碳纳米管的长度或均匀性。

10、作为优选，所述三聚氰胺的添加量为1～2.5g，三聚氰胺的添加量多少会影响共热解形成的碳纳米管的数量、形貌是否均匀以及管状数量。

11、作为优选，所述电化学沉积技术采用三电极体系，电压范围为-0.6～-1.2v，通过调节沉积电压、沉积时间等电化学沉积参数调控碳化木材中金属负载量，实现催化剂的可控制备。

12、本发明制备方法的技术原理：通过电化学沉积技术将金属盐溶液中的金属沉积到碳化木材的孔道和表面作为前驱体，然后在共热解的过程中，前驱体与三聚氰胺聚合生成g-c3n4，金属离子被还原为金属种子，随着温度的升高，g-c3n4分解提供碳源和氮源，金属种子催化g-c3n4的分解产物生长氮掺杂的碳纳米管，最终形成包覆在氮掺杂碳纳米管内的金属纳米粒子。

13、ni金属纳米粒子被包覆在碳纳米管中，周围的碳层一方面能防止ni金属纳米粒子直接与电解液接触，提高耐腐蚀性，减缓ni金属在催化反应过程中的电化学浸出，提高稳定性；另一方面还能够通过碳层与内部ni金属形成协同界面效应，诱导电荷重分布，提高催化活性。

14、本发明还提出了一种根据上述制备方法制得的电解水自支撑催化剂，所述电解水自支撑催化剂具有三维分级多孔结构。

15、本发明还提出了一种上述电解水自支撑催化剂在工业级电流密度电解水制氢中的应用。

16、本发明的有益效果：

17、1、本发明以碳化木材作为前驱体的碳源以及自支撑基底，通过电化学沉积技术以及共热解将碳化木材转化为具有高导电性、三维分级多孔结构的电解水自支撑催化剂，催化剂的制备过程简单且易调控。

18、2、在制备过程中，前驱体与三聚氰胺共热解所形成的氮掺杂的碳纳米管封装金属纳米粒子实现金属纳米离子高度均匀分散，避免团聚，一方面有利于催化活性位点的充分暴露，以及在金属和碳纳米管之间形成协同界面效应，诱导电荷重分布，提高催化活性；另一方面避免金属纳米粒子直接与电解液相接触进而提高金属纳米粒子的耐腐蚀性和稳定性。

19、3、本发明的电解水自支撑催化剂拥有碳化木材的三维分级多孔结构，使其本身可以作为气体扩散电极，直接用于电解水制氢，同时也避免了使用传统电极制备方法中所需的粘结剂，也有利于增强电催化水分解中的质量传输和气体扩散，降低制氢能耗。

20、4、本发明的电解水自支撑催化剂在小于0.5v低过电压下实现≥500ma/cm2的工业级电流密度制氢，电解水制氢效率高。

21、本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

技术特征：

1.一种电解水自支撑催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

2.如权利要求1所述的电解水自支撑催化剂的制备方法，其特征在于：所述碳化木材是由天然木材在高温下碳化得到。

3.如权利要求2所述的电解水自支撑催化剂的制备方法，其特征在于：所述碳化木材是由天然木材在碳化温度为850～950℃、碳化时间为1～3h条件下碳化得到。

4.如权利要求1所述的电解水自支撑催化剂的制备方法，其特征在于：所述金属盐溶液为硝酸镍溶液、硝酸钴溶液和硝酸铁溶液中的至少一种，金属盐溶液的溶度为0.03～0.08m。

5.如权利要求1所述的电解水自支撑催化剂的制备方法，其特征在于：所述金属为fe、co、ni中的至少一种。

6.如权利要求1所述的电解水自支撑催化剂的制备方法，其特征在于：所述共热解在保护气体氛围、热解温度为700～900℃、热解时间为1～3h条件下进行。

7.如权利要求1所述的电解水自支撑催化剂的制备方法，其特征在于：所述三聚氰胺的添加量为1～2.5g。

8.如权利要求1所述的电解水自支撑催化剂的制备方法，其特征在于：所述电化学沉积技术采用三电极体系，电压范围为-0.6～-1.2v。

9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的电解水自支撑催化剂的制备方法制备而成的电解水自支撑催化剂，其特征在于：所述电解水自支撑催化剂具有三维分级多孔结构。

10.一种如权利要求9中所述的电解水自支撑催化剂在工业级电流密度电解水制氢中的应用。

技术总结
本申请公开了一种电解水自支撑催化剂及其制备方法、应用，制备方法，包括以下几个步骤：选取碳化木材作为基底，将其放入金属盐溶液中采用电化学沉积技术在碳化木材上原位电沉积过渡金属，得到金属和碳化木材杂化的前驱体；将上述前驱体和三聚氰胺进行共热解，使得金属纳米粒子包覆在氮掺杂的碳纳米管中，并原位生长在碳化木材上，得到电解水自支撑催化剂，整个制备过程简单且易调控，制备的电解水自支撑催化剂具有三维分级多孔结构、高导电性和良好的催化活性和稳定性，能够用于工业级电流密度电解水制氢。

技术研发人员：张兵,陆盈盈,李迪,卜然
受保护的技术使用者：浙江大学杭州国际科创中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13