[发明专利]一种碳包覆型异质结构电催化剂及其制备与应用

说明书

本发明涉及一种碳包覆型异质结构电催化剂及其制备与应用，属于电催化剂技术领域。本发明所述的碳包覆型异质结构电催化剂，包括具有异质结构的纳米颗粒、以及包覆所述纳米颗粒的碳材料；所述异质结构是由过渡金属及其磷化物相互结合形成的；所述碳材料为氮、磷异质元素共掺杂的碳材料。本发明所述的碳包覆型异质结构电催化剂其三维的含有大量缺陷的碳材料基底具有独特的结构优势，包括较大的比表面积、高导电性和良好的化学稳定性，增强了电子的转移，有效地提升了电解水析氢反应的活性，在全pH范围内的析氢反应活性优于碳载铂电催化剂。

技术领域

本发明属于电催化剂技术领域，尤其涉及一种碳包覆型异质结构电催化剂及其制备与应用。

背景技术

在能源危机和环境污染的双重压力下，太阳能、风能和潮汐能等清洁和可持续能源的应用得到了大力发展，这些新能源的商业化发展需要把他们转化成易于储存、运输和处理的化学燃料。在不同的能量载体中，氢能源因其高能量密度和丰富的自然资源相比于其他能源具有巨大的优势，并且其最终产物只有水，使用氢能源可以极大的减少温室气体和有害气体的排放。氢能源高能量密度、零排放和可持续循环利用的优异特性是世界上所公认的理想能源之一。为了世界能源需求的发展需求，研制和开发高效的制氢途径已成为了当前化学、材料、能源等领域的一大热点。

电催化水分解析氢反应为大量生产氢能源提供了一条高效、清洁的途径。电化学反应一般是在“电极/溶液”界面的电极表面上发生的，因此电极表面材料是实现电催化过程中极为重要的支配因素，活性、反应动力学和稳定性也随电极表面的本征性质和实际的电化学条件而变化。电化学析氢反应是最简单的电化学反应之一，其反应步骤包括在电极表面上发生的吸附、还原和脱附过程。由于析氢反应的过电位高，制氢效率低，阻碍了电化学水分解技术的广泛应用，为了克服这些障碍，有必要在电极表面引入活性催化剂，这样可以显著地降低额外能量的成本，提高转换效率。在析氢反应过程中吸附氢原子以形成氢中间体在电极表面催化剂上，但是氢键形成的过强或过弱都可能导致其反应速率降低，并分别对电极表面催化剂的初始氢吸附过程和最终氢分子脱附过程造成影响。如果氢键形成的过弱，表明反应物和催化剂之间没有强相互作用，反应物很难完成转变成产物的过程；如果氢键形成的过强，表明反应物和催化剂之间的相互作用太强，意味着产物的脱附会变得异常困难。因此与反应物的吸附强度既不太强也不太弱的催化剂是最高效的催化剂，为了尽可能的提升电化学水分解析氢反应的制氢效率，研发高性能的电解水制氢催化剂已成为了当今世界的实时热点之一。

众所周知，铂是电解水制氢最有效的催化剂，其表现出了独特的析氢反应的催化能力。然而，铂高昂的价格在极大程度上限制了其在商业化和工业化领域的广泛使用，为了尽可能的减少制氢的成本，采用更加廉价的材料并通过特殊的制备方法合成具有特定结构的新型催化剂，使其拥有优于铂的电解水析氢反应活性，并且探索更加简便的新型催化剂合成策略，尽量的减少制备过程中的能源损失和成本，以便于商业化和工业化高效制氢催化剂的发展。因此。进一步探究和研发低成本且高效地电解水制氢催化剂对于满足世界未来能源需求和国家能源战略发展具有实际重要意义。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中电催化剂的制备成本高、制氢效率较低等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种碳包覆型异质结构电催化剂及其制备与应用。本发明所述的电催化剂其具有异质结构的纳米颗粒镶嵌于三维氮、磷共掺杂的含有大量缺陷的碳材料中，形成一层多孔的包裹层。该催化剂对于全pH范围内电解水析氢反应以及肼氧化反应表现出优异的活性和稳定性，其电解水析氢反应和肼氧化反应性能优于碳载铂电催化剂，在制造成本也远远低于碳载铂电催化剂的情况下，具备优于碳载铂电催化剂的性能。

本发明的第一个目的是提供一种碳包覆型异质结构电催化剂，包括具有异质结构的纳米颗粒、以及包覆所述纳米颗粒的碳材料；所述异质结构是由过渡金属及其磷化物相互结合形成的；所述碳材料为氮、磷异质元素共掺杂的碳材料。

在本发明的一个实施例中，所述纳米颗粒的粒径为1-5nm。