[发明专利]电解水制氢的催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂及其制备方法，尤其涉及一种电解水制氢的催化剂及其制备方法。

背景技术

随化石能源的过渡开采和利用以及全球环境问题的日益加重，新型清洁能源的技术开发和规模化应用越来越得到人们重视，如太阳能、风能和潮汐能等。其中，氢气可利用水来制得，来源广泛。同时，氢气的燃烧热值高且燃烧产物无污染。因此，氢能源具有广阔的开发前景。

目前，工业上制氢的方法主要有电解水制氢、以矿物燃料为能源制氢、生物质汽化和微生物制氢，同时，热解、发酵、石化等产业的副产物也能得到氢气。电解水制氢是较为容易实现工业化的生产方法，以电解池为反应体系，在阴阳极上施加一定外电压，阴极即发生析氢反应，实现电能向化学能的转换，得到纯度较高的氢气。

然而，电解过程中的高能耗使电力成本成为制约电化学制氢发展的主要问题。同时，铂作为电解水反应最有效率的阴极催化剂之一，其稀缺的资源存储量和昂贵的价格也制约着电化学制氢的应用和发展。

发明内容

本发明针对上述电解水催化剂成本高，电化学效率低等不足，提供一种纳米铂铜合金与炭黑的复合材料作为电化学制氢催化剂及其制备方法。

一种电解水制氢的催化剂，所述催化剂是碳担载纳米铂铜合金。

根据本发明的一实施方式，所述催化剂中铂占所述合金总质量的5％-15％。

根据本发明的另一实施方式，所述纳米铂铜合金占所述催化剂质量的80％以上。

根据本发明的另一实施方式，所述纳米铂铜合金的晶粒尺寸为2-20纳米。

一种上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1：按质量比例称取铜源化合物、铂源化合物和稳定剂，分别将所述铜源化合物、铂源化合物和稳定剂溶于水中形成水溶液；将所述铂源化合物水溶液、铜源化合物水溶液和稳定剂的水溶液混合得到前驱体溶液；

S2：将碳担载体加入到所述前驱体溶液中，均匀分散；以及

S3：将还原剂加入到S2步骤形成的溶液中，充分反应。

根据本发明的一实施方式，所述铂源化合物是氯铂酸六水合物。

根据本发明的另一实施方式，所述稳定剂是水溶性柠檬酸及盐、聚乙烯吡咯烷酮、乙二胺四乙酸中一种或几种。

根据本发明的另一实施方式，所述碳担载体是炭黑、乙炔黑、科琴黑、纳米碳纤维、纳米碳管中的一种或几种。

根据本发明的另一实施方式，所述还原剂是硼氢化物、抗坏血酸、酒石酸盐中一种或几种，所述还原剂的摩尔量是金属摩尔量的3-6倍。

根据本发明的另一实施方式，在S3步骤之前，还包括持续通高纯氮气使还原反应过程均处于高纯氮气保护步骤。

相对于现有技术，本发明的制备的负载在活性炭上的纳米铂铜合金材料作为电化学制氢的催化剂，由于纳米材料比表面积较大，使单位质量催化剂具有更多的活性位点，提高电化学催化效率。同时铜的加入减少了铂的载量，进一步降低了成本。并且，由于金属间的协同作用，铂铜合金可以有效的降低电化学反应的过电位，降低了电解池电压，减少了能耗成本。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本发明的PtCu/C催化剂的X射线衍射结果；

图2是本发明的Pt_0.1Cu_0.9/C为催化剂的极化曲线；

图3是本发明的不同催化剂的极化曲线对比；以及

图4是本发明的不同Pt：Cu比例(5：95、10：90、15：85)的PtCu/C催化剂的极化曲线对比。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。

本发明的碳担载纳米铜铂合金催化剂，降低电解水催化剂中铂的载量，提高铂的利用率是降低成本的有效手段。

本发明的催化剂是担载在碳担载体上的纳米铜铂合金，催化剂的制备方法包括S1：准备前驱体溶液步骤；S2：加入碳担载体步骤；S3：湿化学还原步骤。然而，本领域技术人员可以理解，本发明的制备方法并不是仅限于上述3个步骤，除了上述3步骤以外，还可以包括例如后述的预过滤步骤、清洗步骤、干燥步骤和粉碎步骤等。

以下，对上述工序S1～S3和其它工序依次进行说明。

S1：准备前驱体溶液步骤

按质量比例称取铜源化合物、铂源化合物和稳定剂，分别将铜源化合物、铂源化合物和稳定剂溶于水中形成水溶液。将铂源化合物水溶液、铜源化合物水溶液和稳定剂的水溶液混合得到前驱体溶液。