[发明专利]一种碳纳米管基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电化学催化技术领域，尤其涉及一种碳纳米管基催化剂及其制备方法和应用。发明提供了一种碳纳米管基催化剂，包括氮掺杂碳纳米管和负载在所述氮掺杂碳纳米管中的铱‑钴纳米颗粒，所述铱‑钴纳米颗粒为铱掺杂钴纳米颗粒。在所述催化剂中，铱‑钴纳米颗粒负载在所述氮掺杂的碳纳米管中，可以实现快速的电子转移，有效抑制纳米颗粒的溶解和团聚，有利于提高导电性能，保护催化反应活性位点；此外，Ir与Co之间具有较强的电子耦合作用，有利于提高催化剂的电催化性能；同时，其在酸性和碱性介质中均表现出优异的电催化析氢性能，具有较高的活性和良好的稳定性。

技术领域

本发明涉及电化学催化技术领域，尤其涉及一种碳纳米管基催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

由于氢的高储能密度和零碳特性，一直被认为是化石燃料最理想的能源载体。电解水的阴极析氢反应(HER)是大规模生产高纯氢的一种很有前景的方法。迄今为止，铂(Pt)被认为是最有效的HER电催化剂，其过电位可以忽略不计，动力学优异。然而，铂的天然稀缺性和昂贵的价格严重阻碍了其广泛应用。尽管目前对过渡金属催化剂的开发投入了大量的晶粒，但其固有的电催化活性仍低于Pt基催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管基催化剂及其制备方法和应用，所述碳纳米管基催化剂成本低，同时具有较高的活性和良好的稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳纳米管基催化剂，包括氮掺杂碳纳米管和负载在所述氮掺杂碳纳米管中的铱-钴纳米颗粒，所述铱-钴纳米颗粒为铱掺杂钴纳米颗粒。

优选的，所述铱-钴纳米颗粒与氮掺杂碳纳米管的质量比为1：(1～3)。

优选的，所述铱-钴纳米颗粒中的铱和钴的质量比为1：(10～40)。

优选的，所述铱-钴纳米颗粒的粒径为10～20nm；

所述氮掺杂碳纳米管的氮掺杂量为1～10wt％，直径为10～20nm，长径比为1：(50～150)。

本发明还提供了上述技术方案所述催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将钴盐溶液和2-甲基咪唑溶液第一混合，进行络合，得到钴MOFs；

将所述钴MOFs、铱盐和极性溶剂第二混合，进行铱离子吸附，得到吸附铱的钴MOFs；

将所述吸附铱的钴MOFs和有机氮源第三混合后进行热解处理，得到所述碳纳米管基催化剂。

优选的，所述钴盐溶液中的钴盐包括钴的硫酸盐、钴的氯化物、钴的硝酸盐和钴的醋酸盐中的一种或几种；

所述钴盐溶液中的钴盐和所述2-甲基咪唑溶液中的2-甲基咪唑的摩尔比为1：(1～8)。

优选的，所述铱盐包括三氯化铱、醋酸铱、乙酰丙酮铱和四氯化铱中的一种或几种；

所述极性溶剂包括无水乙醇、甲醇和水中的一种或几种；

所述铱盐和钴MOFs的质量比为1：(5～20)。

优选的，所述有机氮源包括双氰胺、尿素和三聚氰胺中的一种或几种；

所述吸附铱的钴MOFs和有机氮源的质量比为1：(25～100)。

优选的，所述热解处理在保护气氛中进行；

所述热解处理的温度为800～1000℃，保温时间为2～4h；升温至所述热解处理的温度的升温速率为1～3℃/min。

本发明还提供了上述技术方案所述催化剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的催化剂在电解水析氢反应或燃料电池中的应用。