[发明专利]一种氮和硫原位共掺杂镍钴基碳纤维电解水催化剂及其制备方法

说明书

一种氮和硫原位共掺杂镍钴基碳纤维电解水催化剂及其制备方法，涉及一种镍钴基碳纤维电解水催化剂及其制备方法。本发明为了解决现有氢气制备时电解效率低和所采用的催化剂的稳定性差的问题。催化剂由碳纤维基体和纳米颗粒构成；纳米颗粒负载在碳纤维基体内部及表面。制备方法：按照分子式Ni_xCo_yN_z和Ni_aCo_bS_c中各元素的摩尔比称取硝酸镍、硝酸钴和硫代酰胺化合物，再加入聚乙烯吡咯烷酮得到前驱液；进行静电纺丝；最后进行高温烧结。本发明为氮和硫原位共掺杂镍钴基碳纤维电解水催化剂材料，具有较好的催化剂的活性和稳定性。还具有氢析出和氧析出的双功能催化，电解效率高达95%。本发明适用于制备电解水催化剂。

技术领域

本发明涉及一种镍钴基碳纤维电解水催化剂及其制备方法。

背景技术

随着能源危机以及环境污染的日益加剧，各种新能源和可再生能源的开发已受到世界各国的高度重视，风能、太阳能和水力等绿色可再生能源给人们解决能源危机带来了希望。世界各国的科研工作者投入大量的精力来研究这些绿色能源的利用技术，并且己经取得巨大成功。其中风力发电，光伏和水力发电等技术己经规模化应用。绿色可再生能源大都具有时空分布不均的特点，这就要求我们能够对这些能源进行有效的捕集、存储、运输和转化，从而满足不同地点、时段的需求。而氢气作为二次能源以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最为理想的能源载体。氢气的获取是利用储量丰富且廉价的水为原料，通过电解产氢，可以把电能存储在氢气的化学键中。当有能源需求时，可通过燃烧释放出能量，也可通过氢燃料电池重新转化为电能。无论通过哪种方式释放能量，最终产物都是水，碳排放量为零。当电解使用的电能来源于风能，太阳能等可再生能源时，人类就真正的实现了能源的绿色循环和可持续利用。

目前工业上氢气制备时广泛使用低碳钢阴极和镀镍阴极，但是碳钢阴极和镀镍阴极的电解效率很低，仅为50％(电解效率即法拉第效率，法拉第效率描述了电化学反应系统中电荷的转移效率，具体计算方法为反应得到产物所利用的电荷与外部电路的总电荷量之间的比率。法拉第效率越高，表明催化剂的选择性越强)，电解效率低导致氢气制备过程能耗增加；同时，低碳钢阴极和镀镍阴极析氢过电位分别达到了380mV与480mV。析氢过电位过高的影响是能耗高，不利于氢气制备的进行；而贵金属Pt、Rh、Pd等作为催化剂材料具有优良的电催化活性，但成本太高，无法推广。贵金属催化剂反应一段时间后容易团聚，分散性不好，进而导致催化剂结构发生变化，影响其催化性能；因此，开发电解效率高，电解水过电位低的新型非贵金属催化剂材料也就成为了各国科研工作者竞相研究的热门课题。

现阶段，主要的催化剂多为碳基催化剂。单纯的碳材料虽然导电性能较好，但催化活性以及稳定性较差，很难达到人们对理想催化剂的要求。然而随着氮和硫等非金属元素掺杂到碳基体中，碳基体产生大量的无序结构和较大的比表面积。在众多的催化剂中，非金属/过渡金属共掺杂碳材料被认为是最理想的贵金属基催化剂的替代者，这主要是由于其具有较低的价格和较高的催化活性。而催化剂材料中碳基体的结构和形貌也会影响其电催化性能，这主要与碳基体的缺陷结构和比表面积有关。碳基材料主要包括：石墨烯材料，碳纳米管材料，多孔碳材料等。但由于上述碳材料的制备工艺较为复杂，不易于大规模商业化生产。现有的氮和硫掺杂碳材料的稳定性差，因为采用外部氮化、硫化的处理方法实现掺杂，因此其对碳材料电子结构以及晶体结构的改变集中在碳载体的表层，在催化反应过程中易被腐蚀；现有的氮和硫掺杂碳材料的掺杂方法采用外部掺杂，掺杂的均匀性及彻底性难以实现，此外，现阶段氢气制备时采用的催化剂只具有氢析出或氧析出的单一催化功能，无法实现双功能催化，因此现有的氢气制备时需要选取两种催化剂，增加了氢气制备成本。

发明内容

本发明为了解决现有氢气制备时电解效率低和所采用的催化剂的稳定性差的问题，提出一种氮和硫原位共掺杂镍钴基碳纤维电解水催化剂及其制备方法。