[发明专利]复合催化电极及其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种复合催化电极，其包括碳布基底、碳纳米管及纳米催化粒子；碳纳米管生长在碳布基底上；纳米催化粒子位于碳纳米管的管腔内；纳米催化粒子为掺银磷化钴与硅的纳米复合物。该复合催化电极，掺银磷化钴与硅复合产生的催化协同作用可大幅提高电极的HER本征催化活性。碳纳米管限域作用使纳米催化粒子为纳米尺寸，比表面积大，提高电极的HER表观催化活性。同时由于碳纳米管的包裹，还可抑制电极工作过程中纳米催化粒子的团聚、脱落等情况的发生，进而提高电极的稳定性。此外，碳材料自身化学性质稳定、导电性高，纳米催化粒子与碳材料直接原位固定，不采用粘合剂，有利于降低电极内阻。本发明还提供了复合催化电极的制备方法及其应用。

技术领域

本发明属于催化技术领域，涉及一种复合催化电极及其制备方法及应用。

背景技术

氢气(H₂)因燃烧热值高(燃烧过程焓变为-285.8kJ/mol)、燃烧产物为水、能量密度大等优势，成为公认的新一代能量载体。电解水制氢是理想的可持续制氢途径之一。基于酸性水介质电解的质子交换膜(PEM)电解槽制氢方法，由于其工作电流密度高、装置体积小、产氢纯度可达99.999％，是未来工业化电解水制氢技术的优先发展方向。

从热力学角度出发，当阴极电位达到热力学析氢电位便可启动析氢反应(HER)。然而，PEM电解槽工作时的实际析氢电位要负于热力学析氢电位，即存在阴极过电位(η_c)。由于HER过程中，电极反应要经历电子转移步骤和反应产物吸/脱附步骤，每一步均存在过程势垒(即活化能)，η_c主要用来克服高的活化能形成的动力学障碍。η_c越大，电能转变为氢能的转换效率越低。为了提高能量转换效率，需要采用具有HER催化活性的阴极材料，减小HER过程的η_c。金属铂(Pt)表面的氢吸附自由能(ΔG_H*)几近于0，是当前人们认为HER催化活性最优越的物质，其中Pt/C材料是HER催化材料的性能标杆。但由于金属Pt储量稀少、价格昂贵，极大的限制了其工业应用，需要寻找能够替代金属Pt的低成本HER催化材料。

过渡金属元素与磷元素结合可形成过渡金属磷化物(TMPs)，磷原子的引入使金属原子之间的相互作用减弱，同时使金属的d带收缩，d带能量中心靠近费米能级，导致TMPs的电子结构与金属铂(Pt)类似。TMPs已被证明是极具应用潜力的非贵金属HER催化材料。

但是，与金属铂(Pt)相比，TMPs的HER催化活性还仍有待进一步改善。

发明内容

针对上述不足，有必要提供一种新的复合催化电极及其制备方法。

一种复合催化电极，包括：

碳布基底；

碳纳米管；所述碳纳米管生长在所述碳布基底上；

以及纳米催化粒子；所述纳米催化粒子位于所述碳纳米管的管腔内；所述纳米催化粒子为掺银磷化钴与硅的纳米复合物。

上述复合催化电极，掺银磷化钴与硅复合，产生的协同作用可以大幅提高电极的HER本征催化活性。由于碳纳米管的限域作用，包裹在碳纳米管内部的掺银磷化钴/硅(Co-Ag-P/Si)催化活性物质均为纳米尺寸，比表面积大，有利于提高电极的HER表观催化活性。同时，由于碳纳米管对掺银磷化钴/硅催化活性物质的包裹，还可以抑制电极工作过程中掺银磷化钴/硅(Co-Ag-P/Si)催化活性物质的团聚、脱落等情况的发生，进而可以提高电极的稳定性。此外，碳材料自身化学性质稳定、导电性高，掺银磷化钴/硅(Co-Ag-P/Si)催化活性物质与碳材料直接原位固定，不采用粘合剂，有利于降低电极内阻，并避免由于使用粘合剂所带来的其他负面影响。

优选地，在所述复合催化电极中，硅元素与钴元素的摩尔比为1：5～10；钴元素、银元素、磷元素的摩尔比为1：0.05～0.15：0.5～2。

优选地，所述纳米催化粒子的平均粒径为8nm～40nm。