一种阴极高效析氢电催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于阴极电催化材料，具体涉及一种阴极高效析氢电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、由于氢能的可再生性、高能量密度和零温室气体排放，对氢能的需求不断增长。与石油裂解或煤气化相比，电催化水裂解被认为是最环保的制氢替代方案。研究人员在该领域做了大量出色的工作，解决了许多相关的科学瓶颈。另一方面，该方法的大规模应用受到以下因素的极大阻碍：设备成本昂贵，整体能量转换效率低，产品结构单一，导致整体输出成本高，对高效工业电催化剂的机理和开发缺乏深入的探索。

2、氯碱工业是支柱化工行业，生产烧碱、氯气、氢气。同时，氯碱工业也是典型的高能耗工艺。据统计，氯碱行业用电量占整个化工行业用电量的10%以上。另外，氯碱行业氢气利用不足，一些氯碱厂甚至直接向大气释放氢气。在氯碱工业不可替代的前提下，如何降低能耗，优化资源利用，是氯碱工业未来可持续发展优先解决的问题。her（析氢）电催化剂与氯碱工业的匹配就像一个连接点，将实现两大化学领域的交叉，推动电解制氢从实验室研究阶段走向实际工业生产，提高氯碱工业的经济效益和可持续性。设计和合成能够在氯碱条件下（强碱性）高效稳定工作的新型her电催化剂作为传统阴极材料的候选者是实现这一诱人愿景的关键。

技术实现思路

1、针对现有技术中氯碱工业能耗高、氢能源利用不足的问题，本发明提供了一种阴极高效析氢电催化剂及其制备方法和应用，制备的氯碱工业阴极高效析氢催化剂，稳定性高，使用寿命长，催化反应速率快，催化活性高，耐强碱性。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种阴极高效析氢电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）将铁盐、钴盐和2，5二羟基对苯二甲酸加入到由dmf、乙醇和水组成的混合溶液中，搅拌溶解后置于水热反应釜中，在120~150℃下水热反应12~36h；

5、（2）步骤（1）水热反应后的反应物用dmf离心洗涤，沉淀物干燥得mof-74feco纳米材料；

6、（3）步骤（2）中的mof-74feco纳米材料在甲醇中分散，加入pvp搅拌均匀后加入锌盐继续搅拌，最后加入2-甲基咪唑继续反应18~30h，甲醇离心洗涤，干燥得mof-74feco@zif-8纳米材料；

7、（4）步骤（3）得到的mof-74feco@zif-8纳米材料置于管式炉内煅烧，800~1000℃通入氮气煅烧2~5h，得fe/co-nc纳米材料，即为阴极高效析氢电催化剂。

8、进一步地，步骤（1）中所述的铁盐为fecl3、钴盐为co(no3)2.6h2o，铁盐、钴盐和2，5二羟基对苯二甲酸的摩尔比为1.5~2：1.5~2：1。

9、进一步地，步骤（1）混合溶液中dmf、乙醇和水的体积比为15：1：1。

10、进一步地，步骤（3）中的锌盐为zn(no3)2.6h2o。

11、进一步地，步骤（3）中mof-74feco纳米材料、pvp、锌盐和2-甲基咪唑的质量比为0.05：0.15：2.4：6.9。

12、进一步地，步骤（2）和步骤（4）中的干燥条件为60~70℃干燥10~15h。

13、进一步地，步骤（4）中管式炉的升温速率为2~4℃/min。

14、进一步地，步骤（3）中mof-74feco纳米材料在甲醇中超声分散，超声温度为25℃，功率为160w ，超声频率为40khz。

15、本发明中，上述的制备方法制备得到的阴极高效析氢电催化剂。

16、本发明中，上述阴极高效析氢电催化剂在电解水析氢阴极电极中的应用。

17、本发明中，上述阴极高效析氢电催化剂在氯碱工业中电解制氢中的应用。

18、本发明以mof-74feco为模板，利用pvp（聚乙烯吡咯烷酮）在mof-74feco表面自组装吸附zn离子，再加入2-甲基咪唑，由于zn离子与2-甲基咪唑的配位合成了mof-74feco@zif-8纳米结构，通过热解形成fe/co-nc纳米材料。本发明合成的阴极高效析氢电催化剂（fe/co-nc纳米材料），作为一种特殊类型的mof，mof-74材料具有丰富且均匀分散的金属原子。然而，mof-74的形态和多孔结构可能在高温碳化阶段崩溃，导致mof-74衍生碳的比表面积降低和金属纳米颗粒的聚集。此外，使用mof-74作为原料制备m-n-c材料通常需要引入额外的n源，这是由于mof-74中缺乏n元素，zif-8用作n-c前体，特别是zn在900℃左右蒸发以形成许多孔隙，这增加了材料的比表面积，从而改善了气体的扩散。

19、本发明取得的有益效果为：

20、本发明利用mof-74feco为模板，在其表面生长zif-8纳米颗粒，然后通过热解合成阴极高效析氢电催化剂（fe/co-nc纳米材料），其在氯碱工业的强碱性电解液中，对于析氢反应有着良好的电催化活性以及稳定性，对比氯碱工业常用的阴极催化剂如钛网、镍网、低碳钢，具备更加优异的催化性能，在氯碱工业领域有着很大的应用前景。

技术特征：

1.一种阴极高效析氢电催化剂的其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的阴极高效析氢电催化剂的其制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的铁盐为fecl3、钴盐为co(no3)2.6h2o，铁盐、钴盐和2，5二羟基对苯二甲酸的摩尔比为1.5~2：1.5~2：1。

3.根据权利要求1所述的阴极高效析氢电催化剂的其制备方法，其特征在于，步骤（1）混合溶液中dmf、乙醇和水的体积比为15：1：1。

4.根据权利要求1所述的阴极高效析氢电催化剂的其制备方法，其特征在于，步骤（3）中的锌盐为zn(no3)2.6h2o，mof-74feco纳米材料、pvp、锌盐和2-甲基咪唑的质量比为0.05：0.15：2.4：6.9。

5.根据权利要求1所述的阴极高效析氢电催化剂的其制备方法，其特征在于，步骤（2）和步骤（4）中的干燥条件为60~70℃干燥10~15h。

6.根据权利要求1所述的阴极高效析氢电催化剂的其制备方法，其特征在于，步骤（4）中管式炉的升温速率为2~4℃/min。

7.根据权利要求1所述的阴极高效析氢电催化剂的其制备方法，其特征在于，步骤（3）中mof-74feco纳米材料在甲醇中超声分散，超声温度为25℃，功率为160w ，超声频率为40khz。

8.一种权利要求1~7任一项所述的制备方法制备得到的阴极高效析氢电催化剂。

9.一种权利要求8所述的阴极高效析氢电催化剂在电解水析氢阴极电极中的应用。

10.一种权利要求8所述的阴极高效析氢电催化剂在氯碱工业中电解制氢中的应用。

技术总结
本发明公开了一种阴极高效析氢电催化剂及其制备方法和应用，属于电催化材料技术领域。将铁盐、钴盐和2，5二羟基对苯二甲酸加入由DMF、乙醇和水组成的混合溶液中，搅拌溶解后在120~150℃下水热反应12~36h；反应物用DMF离心洗涤，干燥得MOF‑74FeCo纳米材料，在甲醇中分散，加入PVP搅拌均匀后加入锌盐继续搅拌，最后加入2‑甲基咪唑反应18~30h，甲醇离心洗涤，干燥得MOF‑74FeCo@ZiF‑8纳米材料；置于管式炉内煅烧，800~1000℃通入氮气煅烧2~5h得阴极高效析氢电催化剂。阴极高效析氢电催化剂稳定性高，寿命长，催化反应速率快，催化活性高，耐强碱性，在氯碱工业领域有着很大的应用前景。

技术研发人员：程终发,王东海,华艳飞,姚娅,王宁宁,周荣奇,申义驰
受保护的技术使用者：氢力新材料（山东）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25