[发明专利]一种用于制备燃料电池用氢的三维阵列催化剂及制备方法

说明书

本发明提供了一种用于制备燃料电池用氢的三维阵列催化剂及制备方法。将碳布退火处理后浸泡与丙酮溶液中，浸入六水合硝酸镍、柠檬酸及无水乙醇制成的透明溶胶，取出后高温焙烧，得到表层负载氧化镍纳米线的碳布，进一步处理形成纳米氧化镍阵列，最后以硼酸盐溶液为缓冲液，制得用于制备燃料电池用氢的三维阵列催化剂。该方法通过在碳布表面直接负载硼酸镍阵列，提高了催化剂与碳布之间的结合力和电子输运能力，同时多孔纳米阵列增加了活性点位与电解质之间的界面接触，提升了催化剂的催化活性和制氢效率，并且原料价格低廉，制备方法简单，催化效率高，适宜于大规模生产。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及催化剂的制备，特别是涉及一种用于制备燃料电池用氢的三维阵列催化剂及制备方法和在制备燃料电池用氢的催化剂中的应用。

背景技术

能源是经济社会发展的基础，随着世界各国对能源需求的不断加大，煤炭、石油等传统化石能源面临枯竭的危机，资源短缺、环境污染等问题日益突出。寻找清洁、可再生的能源成为人类社会发展的必然。氢能源以其燃烧值高、清洁无污染、可再生等显著优点而引起世界各国关注。目前全球90%以上的氢气都是通过化石燃料制取的，如天然气蒸汽重整制氢等。这些制氢方法没有可持续性，不能从根本上解决能源危机和环境问题。从水中制取氢气的方法因具有可持续性而有很好的开发前景。

电解水制氢技术已经得到工业化应用，全球约有4%的氢气来源于电解水。传统的碱性水溶液电解制氢因制氢效率低、电能损耗大而限制了其应用范围。研究人员进行了大量的研究工作来提高制氢效率，研究内容主要包括低过电位电极材料、质子交换膜水电解、高温水蒸气电解以及使用催化剂等。其中催化剂因使用方面，价格低廉，效果好而广受欢迎，传统催化剂需要与碳球复合后负载与碳布上，提高其结合能力与催化效率成为制氢催化剂发展的重要课题。

中国发明专利申请号201610196544.9公开了一种高效多元过渡族金属磷化物析氢催化剂及制备方法，该催化剂为Co_xFe_yP，通过水热方法负载在碳布而成，其制备方法包括以下步骤：首先用水热方法制备前躯体，将一定量的Co(NO₃)₂·6H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O的混合物，加入到去离子水中形成均匀的混合溶液，然后放入反应釜加入碳布(CC)作为载体，均匀加入浓氨水，密封加热至110~120℃保温9~10h，取出碳布干燥，得到前躯体。将前躯体进行低温磷化，将NaH₂PO₂和所述前躯体分别放在管式炉的上流和下流，充入氮气或惰性气体，将管式炉加热至300~350℃保温2h以上，得到所述析氢催化剂。

中国发明专利申请号201611087829.5公开了一种金属复合材料、其制备方法及应用与制氢电解槽，该金属复合材料包括：三维载体；与负载在三维载体上的金属复合氧化物；金属复合氧化物由在还原气氛中高温煅烧的镍钼氧化物形成。与现有技术相比，该发明提供的金属复合材料作为产氢催化剂具有较高的催化活性。

中国发明专利申请号201611167015.2公开了一种电解水制氢的催化剂，催化剂是碳担载纳米铜铂合金。该发明的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；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。

中国发明专利申请号201410448455.X公开了一种电解水制备氢气催化剂材料的制备方法，将石墨碳纳米结构-石墨烯复合碳纸浸泡在钼和硫的前驱物溶液中，通过水热或溶剂热反应后，再经过反复洗涤得到硫化钼与石墨碳纳米结构-石墨烯复合碳纸材料，即为产品。

根据上述，现有方案中用于电解水制氢的传统催化剂需要与碳球复合后负载与碳布上，需要大量粘结剂，结合能力较差的同时，影响其电子输运能力，制约了制氢效率。

发明内容