[发明专利]一种硫化钴沉积稳定卡宾镍铁双位点电解水制氢阴阳极催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明提供一种硫化钴沉积稳定卡宾镍铁双位点电解水制氢阴阳极催化剂的制备方法和应用。通过制备基底材料、镍铁双位点基底材料、水杨醛亚胺修饰的镍铁双位点基底材料、稳定卡宾镍铁双位点中间体、硫化钴沉积稳定卡宾镍铁双位点电解水制氢阴阳极催化剂。本发明催化剂在10mA/cmsupgt;2/supgt;的阴极过电位由110～116mV降低至53～56mV，而本发明催化剂在10mA/cmsupgt;2/supgt;的阳极过电位由208～245mV降低至158～166mV。阴极和阳极的催化剂质量活性分别由已有催化剂的86～92A/g和105～110A/g提升至195～206A/g和368～394A/g。本催化剂在0.75～0.8V的条件下进行72h的循环实验，电压保持率高于98.2％，具有很高的稳定性。

技术领域

本发明是关于质子交换膜电解水制氢技术，特别涉及一种硫化钴沉积稳定卡宾镍铁双位点电解水制氢阴阳极催化剂的制备方法和应用。

背景技术

目前由于能源短缺和环境污染问题给世界各国带来的巨大挑战，对于新能源的研究日益重要。氢能具有清洁可靠、零碳排放、可与其他能源耦合等优势，是全球主要国家的研究热点。质子交换膜电解水制氢技术由于其体积小、响应快、自洽波动性能源等优势，成为新能源领域应用前沿。在实际电解水过程中，为了突破电极表面形成的反应中间体产生的动能壁垒，需要采用合适的阴阳极催化剂来降低其过电位并加速反应。目前阴极催化剂主要为铂，阳极催化剂主要为铱和铷贵金属相关催化剂。低成本高性能的阴阳极催化剂的研发则相当重要。

目前，阴极催化剂的研究主要集中于非贵金属无机替代物，阳极催化剂的研究主要集中于制造多元铱金属氧化物、使用高比表面积的载体以分散活性催化剂、使用替代制备方法或者替代结构。目前现有催化剂存在成本高、原子利用率低，阴阳极反应分隔等缺点，因而亟需一种活性高、耐毒性好、成本低的阴阳极耦合催化剂来实现高效电解水制氢。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种硫化钴沉积稳定卡宾镍铁双位点电解水制氢阴阳极催化剂的制备方法和应用。过渡金属双原子催化剂具有稳定性和电化学性能好和原子利用率高等优势。在析氧反应中，*OH自由基转化为*O自由基的反应具有最高的能量壁垒，镍铁双原子可在提升电子传导的同时降低阳极反应过电位。而镍铁金属可以通过化学键与稳定卡宾牢固结合。稳定卡宾特殊的碳结构为反应提供了更多的电子和成核位点，提升了反应性能，降低了阳极反应过电位。硫化钴在高比表面积的稳定卡宾基础上进一步降低了阴极和阳极反应过电位。因而硫化钴沉积稳定卡宾镍铁双位点制氢阴阳极催化剂可以提高电解水制氢的性能，具有较强的应用前景。

作为本发明的一个方案，本发明提供一种硫化钴沉积稳定卡宾镍铁双位点电解水制氢阴阳极催化剂的制备方法，其包括以下步骤，

将碳化氮和柠檬酸钠混合物在氮气氛围下加热，制备基底材料；其中碳化氮和柠檬酸钠的质量比为(0.4～0.6)：(19.4～19.6)；

将所述基底材料、氯化镍、氯化铁和α-D-葡萄糖混合，超声、离心、干燥得到固体物质，再与双氰胺混合均匀，在氮气氛围下加热，得到镍铁双位点基底材料；其中，所述基底材料、氯化镍、氯化铁、α-D-葡萄糖的质量比为(1.2～1.3)：(0.64～0.68)：(0.36～0.40)：(6.20～6.46)；

将水杨醛亚胺配位体与所述镍铁双位点基底材料加入乙醇中，在氮气氛围下加热，得到水杨醛亚胺修饰的镍铁双位点基底材料；其中所述水杨醛亚胺配位体与所述镍铁双位点基底材料的质量比为(0.4-0.44)：(0.64～0.72)；

将水杨醛亚胺修饰的镍铁双位点基底材料与稳定卡宾混合均匀，并在氮气氛围下加入于甲苯中，静置后将所得产物离心、清洗，得到稳定卡宾镍铁双位点中间体；其中水杨醛亚胺修饰的镍铁双位点基底材料与稳定卡宾的质量比为(0.1～0.14)：(10.14～10.58)；