[发明专利]一种含氮钴钼的纳米碳纤维电化学催化剂的合成及应用有效

专利信息
申请号: 201810361941.6 申请日: 2018-04-20
公开(公告)号: CN108611657B 公开(公告)日: 2020-06-19
发明(设计)人: 宋宇飞;张文博;陈伟 申请(专利权)人: 北京化工大学
主分类号: C25B11/06 分类号: C25B11/06;H01M8/0606;H01M8/0656
代理公司: 北京太兆天元知识产权代理有限责任公司 11108 代理人: 张洪年
地址: 100029 北京市*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 含氮钴钼 纳米 碳纤维 电化学 催化剂 合成 应用
【说明书】:

发明公开了一种含氮钴钼的纳米碳纤维电化学催化剂的合成及应用。本发明首先合成含氮钴‑磷钼多酸离子晶体化合物,然后与聚合物聚丙烯腈掺杂静电纺丝,通过焙烧合成含氮钴钼的纳米碳纤维,其作为电化学催化剂具有很高的催化活性,且在不同的酸碱条件下,均具有催化活性,可用于析氢、析氧燃料电池中。

技术领域

本发明属于无机复合材料制备技术领域,特别涉及一种含氮钴钼的纳米碳纤维电化学催化剂及其在析氢、析氧燃料电池中的催化应用。

背景技术

随着温室效应全球变暖和能源危机问题的日益严峻,人们对于可持续能源和清洁能源的需求日益增长,发展一种新型的清洁能源已成为当务之急。核能、风能和太阳能等因为其储存与运输的局限性而应用受到限制。作为一种二次能源,氢能由于其清洁、高效、易于制取和储存运输等特点被认为是将来最有潜力的能源载体。目前用于制氢的方法有很多,如甲醇分解制氢、化石燃料制氢等,而电解水制氢是一种环境友好,可以大规模制氢的方法,拥有电解效率高、产品纯度高、原材料丰富等特点,已引起人们的广泛关注。

电解水制氢的原料为可再生能源的水,但是由于在电解过程中产生较高的能耗,所以限制了这种方法的发展,目前人们致力于降低析氢过电位来实现能耗的降低。迄今为止,最有效的氢析出反应电催化剂是基于贵金属铂、钯的催化剂,特别是铂,它的电解稳定性好,析氢析氧过电位较低,但是由于这些贵金属稀缺,储量有限,价格昂贵,成本较高,无法用于工业化大规模的使用,限制了它们的实际应用。近些年来,人们逐渐发展价格较低的其他过渡金属催化剂来取代贵金属催化剂。

近些年来,人们开发的主要HER电化学催化剂包括铁、钴、镍、铜、钼、钨等无贵金属的过渡金属催化剂,还有包括硼、碳、氮、磷、硫、硒的非金属电催化剂。关于HER电催化剂的设计除了选择合适的活性物质以外,还要设计具有良好导电性的电催化剂,以及尽可能提高催化剂的比表面积,增大活性位点的暴露。一般将催化剂负载在导电载体上,如碳纳米管、石墨烯、泡沫镍等,但这些载体仍然存在着价格昂贵,成本较高的不足,所以设计成本低、制备简单、能够大规模合成的HER电催化剂成为研究热点。

静电纺丝技术,是一种直接,相当简单和多用途的技术,可以通过各种聚合物和复合材料生成超细的纳米纤维,可以大规模生产各种广泛的聚合物,是静电纺丝有着广泛的生物医学应用如组织工程、药物递送等领域。

发明内容

本发明的目的是合成含氮钴钼的纳米碳纤维电化学催化剂并将其用于电催化,实现高效的析氢反应。

本发明首先合成含氮钴-磷钼多酸离子晶体化合物,然后与聚合物聚丙烯腈掺杂静电纺丝,通过焙烧合成含氮钴钼的纳米碳纤维,其作为电化学催化剂具有很高的催化活性,且在不同的酸碱条件下,均具有催化活性,可用于析氢、析氧燃料电池中。

本发明的含氮钴钼的纳米碳纤维电化学催化剂的制备方法如下:

1)制备含氮钴-磷钼酸离子晶体化合物:将钴盐、过氧乙酸和吡啶按摩尔比4-6:4-6:7-10加入乙醇或水中回流反应,冷却至室温后加入过量高氯酸盐溶液,1-5℃静置反应,过滤,水洗,干燥后得到褐色固体即含氮钴化合物;将含氮钴化合物与磷钼酸按摩尔比4:1-2的比例溶于乙腈和水的混合溶剂中形成晶体,过滤,用水和乙腈洗涤得到含氮钴-磷钼酸离子晶体化合物;

2)将含氮钴-磷钼酸离子晶体化合物与聚丙烯腈混合溶于N,N-二甲基甲酰胺中,含氮钴-磷钼酸离子晶体化合物、聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为0.1-2:1:10,在15-25kV电压下静电纺丝得到纳米纤维;

3)将步骤2)得到的纳米纤维在惰性气体气氛下700-900℃焙烧,得到黑色粉末,即为含氮钴钼的纳米碳纤维电化学催化剂。

所述的钴盐选自硝酸钴、氯化钴、醋酸钴中的一种或几种。

将步骤1)中的过氧乙酸替换为乙酸和双氧水,钴盐、乙酸、双氧水的摩尔比例为5:10-15:10-15。

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