[发明专利]一种碳包覆的钴钨双金属碳化物、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于双金属碳化物合成及电催化裂解水产氢应用技术领域，具体涉及一种碳包覆的钴钨双金属碳化物、制备方法及其在高效电催化裂解水产氢方面的应用。

背景技术

合理开发与利用能源是关乎人类生存的战略性问题，风能、太阳能等新型能源由于储量巨大、可再生性及清洁性而得到了极大的关注。将此类能源转化为电能是解决其间断性的绝佳方法，而电能通过电解水产氢进一步转变为氢能则实现了此类能源从利用到存储的理想路线，同时也获得了有望改变人类现有能源结构的清洁能源。

能源利用效率是上述路线能否实现的关键因素：在电解水过程中，由于过电势的存在导致电能消耗增加，能源利用效率大幅度下降，而催化剂可以有效降低裂解水的过电势，从而提高电能的利用率。目前，效率最高的电催化裂解水产氢催化剂是铂、钯一类贵金属及其相应复合物，但其相应的高成本、低储量极大地限制了该类材料的广泛应用，也使研究重点转移到寻找可替代贵金属的、高效非贵金属催化剂上。

自从等人首次提出MoS₂纳米粒子具有电催化裂解水产氢活性以来(J.Am.Chem.Soc.2005年127卷5308页)，大量基于MoS₂以及其他过渡金属硫族化合物(如WS₂、CoSe₂等)电催化裂解水产氢性质、机理及其相应复合材料的改性研究为非贵金属电催化剂领域注入了强劲的活力。经过近10年研究，Li等人获得了在pH为0的条件下与商业铂-碳催化剂相近的电催化裂解水产氢催化剂(Adv.Mater.2014年26卷3761-3766页)，一定程度上实现了替代贵金属电催化剂的目标，但是，这还不能保证高效电催化裂解水产氢。

这是因为要实现电能的最大化利用，电解水的产氢产氧两个半反应都需要有高活性催化剂参与。由于硫属化合物的特性，该类材料无法在强碱性电解液(如pH＝14)中保持稳定，但需要指出的是，大多数电催化裂解水产氧催化剂都只能在强碱性电解液中达到较高活性并保持稳定，这使得它们很难与过渡金属硫族化合物催化剂组合在一起实现电能的高效转化。因此，合成一种在碱性条件下电催化裂解水产氢性质出色并能保持稳定的非贵金属催化剂具有十分重要的科学意义与应用价值。

同时，尽管绝大多数电催化剂只在强酸或强碱条件下表现出最佳的性质，但基于环境影响与生物相容性的考虑，催化剂在中性电解液条件下的催化活性也是评价其意义的重要因素。从进一步降低成本的角度出发，在自然界的海水(不经任何净化处理)条件下，催化剂的活性及稳定性同样值得探究。

本发明提出的碳包覆的钴钨双金属碳化物是一种新型电催化裂解水产氢催化剂，之前从未被人报道过此种材料关于电催化裂解水产氢方面的催化活性。这种材料在酸性、碱性以及中性电解液中，也就是全pH值条件下都表现出优异的催化活性和稳定性，特别是在碱性条件下(pH为14)，此催化剂只需要73mV的过电势，电流密度便能达到10mA/cm²，与目前最好的碱性条件下电催化裂解水产氢催化剂活性相当，甚至更胜一筹(ACS Catal.2013年3卷166页)。经过测试，由于钴钨双金属碳化物外表面包覆碳层的保护作用，这种材料能够在自然海水(未经任何净化处理)配制的电解液中保持稳定，并未明显受到高浓度无机盐类的侵蚀影响。需要进一步指出的是，合成该材料所需的原料廉价，合成方法简单，有可能实现大规模工业生产。