[发明专利]一种用于氢析出反应的Co/N/C催化剂的制备方法

说明书

本发明属于燃料电池催化剂制备技术领域，公布了一种用于氢析出反应的Co/N/C催化剂的制备方法。具体步骤包括：四水合乙酸钴与聚丙烯腈按比例溶于N,N‑二甲基甲酰胺溶剂中，通过静电纺丝的方式制备出含乙酸钴的碳纳米线，而后再经过马弗炉及管式炉程序控制升温即可得到上述催化剂。该发明制备得到的催化剂形貌较好，纳米线直径均匀，纯度高，在HER化学反应中具有很好的催化作用。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂领域，具体地说是一种用于氢析出反应(HER)的Co/N/C催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池可将燃料的化学能直接转化为电能，被美国《时代周刊》誉为是“21世纪最为重要的新能源技术”。目前研发进展较为迅速的是氢氧燃料电池，但目前氢气来源还是主要依赖于重整石油气，这对环境的污染较为严重。使用电解水制氢目前也是氢析出领域的热门话题，但目前HER催化剂仍然是制约着电解水制氢效率的最大瓶颈。

因此，制备高效的氢析出催化剂已成为了学术界的一个共识。目前，电解水催化剂仍然是以铂基纳米材料为主，但地球上铂的含量有限，研发非贵金属催化剂已经是当前学术界的共识。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明通过静电纺丝技术成功制备了一种用于氢析出反应的Co/N/C催化剂。制备方法包括以下步骤：

(1)将四水合乙酸钴溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，转移至密封的容器内，置于磁力搅拌器上搅拌，搅拌速率为450-600rpm，搅拌温度为35-45℃，待容器内液体搅拌至均匀的紫色，制得溶液A；

(2)将聚丙烯腈溶于步骤(1)制备的溶液A中，转移至密封的容器内，置于磁力搅拌器上搅拌，搅拌速率为400-600rpm，搅拌温度为40-50℃，待容器内液体搅拌至均匀的紫色，制得溶液B；

(3)将步骤(2)所制得的溶液B转移至静电纺丝设备中的针筒中，调节纺丝设备参数，即可开始纺丝；将所得纺丝置于烘箱中进行烘干；

(4)预氧化：将步骤(3)所得的烘干的纺丝置于马弗炉中，对温度进行程序控制，实现纺丝的升温预氧化，预氧化后的纺丝呈现为棕褐色团状。

(5)烧结：将步骤(4)所得的预氧化后的纺丝置于管式炉中进行程序控制升温，以使其碳化，即可得到目标催化剂。

步骤(1)中，四水合乙酸钴与N,N-二甲基甲酰胺质量比为1：50-9：100。

步骤(2)中，聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺质量比为2：25-13：100。

步骤(3)中，纺丝设备的参数为：静电纺丝设置所使用的针头为14-22号针头，推速为0.015-0.025mm/min，温度为25℃-38℃，湿度为30％-45％，收集距离为10cm-24cm

步骤(3)中，烘干的条件为：烘干温度为60℃-70℃，湿度为38％，烘干时间为10-12h。

步骤(4)中，升温速率为0.5-2℃/min，预氧化温度为220-275℃，保温时间为60-130min，在空气气氛下进行

步骤(5)中，升温速率为3-5℃/min，碳化温度为700-900℃，保温时间为60-120min，在氮气为保护气体下烧结，氮气通入速率为≤0.05L/min。

将本发明制得的Co/N/C催化剂用于氢析出反应的用途。

催化剂形貌及晶体结构利用扫描电子显微镜对本发明所得产物进行表征，证实所制备催化剂具有均匀的纳米线结构以及Co纳米粒子在纳米线中的分布情况。

电催化性能表征：利用电化学工作站评价所制备催化剂的电催化性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：