[发明专利]钼镍复合碳氮化物电催化析氢电极及其制备和应用

说明书

本发明属于材料科学技术领域及电催化制氢技术领域，具体涉及一种可用于碱性介质中电解水析氢反应的钼镍复合碳氮化物电催化电极及其制备。该电极体系以钼镍复合碳氮化物为催化活性中心，泡沫镍为电极材料。其在碱性介质中，可高效地电解水制备氢气，并表现出良好的稳定性，其制备工艺所需原料来源广泛、价格便宜、工艺成熟稳定、操作简单、可控性强，适用于大规模生产和工业电解水制氢。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域及电催化制氢技术领域，具体涉及一种在碱性介质中高效电解水制氢的钼镍复合碳氮化物电催化析氢电极及其制备和应用。

背景技术

氢气是一种重要的清洁能源，具有来源广泛、能量密度高、无毒无害等优点，且燃烧产物仅为水蒸气，没有任何温室气体的产生，因而被认为是有希望替代化石能源的新型能源，一直以来受到全世界范围的广泛关注。然而制氢技术工艺的发展在很大程度上成为制约氢能利用的瓶颈，目前工业制氢工艺主要是石油催化裂化以及天然气蒸汽重整制氢，从环境及资源利用的角度来考虑并不符合现今“绿色可持续发展”的能源发展战略。近年来，随着新型发电技术(如来自太阳能、风能、地热能等可再生能源的发电技术)的不断发展和电网系统的不断优化与升级，电解水制氢技术的优势被进一步放大，甚至被广泛誉为“最理想的工业制氢方法”，而该技术的最核心问题就是高效、稳定、廉价的电催化剂的开发。

目前，电解水制氢工艺最有效的电极体系为铂等贵金属基电催化剂。然而，贵金属的高昂的价格和低存储量严重制约了该类催化剂在电解水制氢中的广泛应用以及该制氢工艺的长足发展。因此寻找廉价、高效的电催化剂来代替贵金属是发展该制氢工艺的关键。最新研究表明，前过渡金属碳化物、氮化物在电催化制氢反应中表现出较高的活性及稳定性。然而，现阶段报道的合成方法均有局限性，如工艺复杂，需要额外粘结剂与电极结合，适合实验室小规模合成而不适合工业批量生产。同时，单纯的碳化物、氮化物的催化活性仍不能满足实际需求，仍无法代替贵金属催化剂。碳氮化物则可以进一步优化过渡金属的电子性质，使其更趋近于贵金属，从而更进一步地提高催化活性，降低能耗。然而，目前同时对过渡金属进行碳化和氮化的研究则鲜有报道。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种以三维泡沫镍为电极基底、钼镍复合碳氮化物为活性中心的电催化析氢电极。该电催化电极原料来源广泛、成本低廉，在碱性介质中表现出很高的催化活性及长期的结构和化学稳定性，可适用于工业电解水制氢。

本发明的目的之二是提供一种一步法制备高效电解水制氢的钼镍复合碳氮化物电催化析氢电极的方法。该方法设计思路清晰新颖、工艺成熟稳定、操作简单、可控性强，适用于大规模生产。

本发明提供的钼镍复合碳氮化物的电催化析氢电极的制备方法，具体操作如下：

(1)泡沫镍的预处理：在丙酮或乙醇中超声以脱脂除油，在超纯水超声且至少重复两次以清洗，在1～2mol/L的盐酸中超声酸化活化1～20分钟，最后再在超纯水中超声1～20分钟且至少重复两次。

(2)含过渡金属前驱体的高分子的自组装：将1～10g结构导向剂、1～10g单体A以及0.1～5g钼的可溶性盐溶解在10～50mL乙醇与水的混合溶液中，充分搅拌后，再加入100～1000μL浓盐酸(质量含量为37％)以及1～10mL单体B，充分搅拌后静置聚合24～120小时。

(3)泡沫镍担载高分子聚合物：取上述聚合后的混合物的下层稠状液体溶解于1～10倍其质量的四氢呋喃溶液中，搅拌并超声使其充分溶解，后将此溶液浸渍在泡沫镍上，干燥后再次浸渍，重复1～5次后，在室温下干燥5～24小时；

(4)原位碳热氨气还原：将担载有上述聚合物的泡沫镍电极，在流量为20～100mL/min的氨气中，以1～10℃/min的速度升至600～900℃/min，保持2～5小时。