[发明专利]Cu-Ce-Y球形空腔复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Cu‑Ce‑Y球形空腔复合材料及其制备方法和应用，Cu‑Ce‑Y球形空腔复合材料是通过在碳微球模板外侧包覆PVP，将少量的纳米Y晶种粘附在CSs@PVP的外表面，制成前驱体CSs@PVP@Y，将前驱体CSs@PVP@Y加入到Y凝胶中，经过晶化、焙烧得到球形空腔Y分子筛，以球形空腔Y分子筛为载体通过后浸渍法负载CuO和CeO₂得到的。通过将Cu‑Ce‑Y球形空腔复合材料滴涂在碳纸上制成析氢阴极材料。本发明结合软硬模板的特性优势合成了具有球形空腔结构的Y分子筛，并通过后浸渍法制备了Cu‑Ce‑Y球形空腔复合材料，具有与应用于微生物电解池中贵金属析氢材料相近的性能。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，涉及一种电催化前驱体的合成及应用，特别是涉及一种Cu-Ce-Y球形空腔复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着传统能源枯竭和日益恶化的生态环境，人类将面临能源缺乏和环境污染的双重严峻挑战。而相对于传统能源，氢能在各种新能源中能量密度最高(H₂为120MJ/kg，汽油为44MJ/kg，CH₄为50MJ/kg，乙醇为26.8MJ/kg)，而且清洁环保，是一种重要的能源载体。氢能在清洁、可持续的能源技术领域具有巨大的发展潜力。

微生物电解池(microbial electrolysis cell MEC)是一种新型的污染物处理和能量回收的装置，其能在处理有机物废水的同时回收电能或氢能，是一项具有较好应用前景的新技术。MEC阳极微生物分解有机物产生电子和质子，电子通过外电路到达阴极，质子通过溶液到达阴极区，在外加辅助电压下，两者结合产生氢气。利用MEC生物质产氢，最大可获得300%~400%的能量收率。MEC的析氢反应发生在阴极室，阴极基础材料和催化剂的选择决定了析氢反应效率的高低。目前，Pt/C基催化剂是最好的催化剂(Molybdenum carbide-carbon nanocomposites synthesized from a reactive template forelectrochemical hydrogen evolution[J]. Journal of Materials Chemistry A,2014, 2(27): 10548-10556，Highly active and durable nanostructured molybdenumcarbide electrocatalysts for hydrogen production[J]. Energy Environmental Science, 2013, 6(3): 943-951.)，但较高的成本是其使用最大的限制因素。因此，廉价金属催化剂的开发对于MEC的长久发展至关重要。

Y分子筛是一种多孔晶体材料，具有发达的三维孔道结构和较高的比表面积，其骨架硅铝比、酸性、孔结构和离子交换性能在较大范围内能够进行调变，而且制造成本相对较低，以其作为MEC阴极载体材料具有明显优势。但是常规Y分子筛的晶粒尺寸在1 μm以上，而Y分子筛的单胞尺寸大多在1～2.5 nm，这使得晶体孔道长、晶内阻力大、晶内扩散效率低，导致内孔无法完全利用，降低了分子筛的有效利用率。

采用软硬模板法合成的内部具有交联网状结构的球形空腔Y分子筛，具有特殊的空间构型和较大的比表面积，为Y分子筛的选择性催化提供了场所，同时，这种特殊的空腔结构利于促进金属组分在载体表面和孔道内的有效分散，还可以暴露更多的活性位点，为MEC阴极氢质子和电子的结合提供更大的反应空间。其次，其具有的微介孔多级孔结构，使得阴极产生的氢分子更容易解吸和扩散，可以大大提高阴极的析氢能力。