[发明专利]一种自支撑双金属镍钨碳化物全解水材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自支撑双金属镍钨碳化物全解水材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。本发明利用静电纺丝法和高温热还原法制备一种双金属镍钨碳化物电解水催化材料，首先通过静电纺丝法制备得到含有钨源和镍源的混合纳米纤维膜，再依次经过预氧化和石墨化使得钨源和镍源在原位形成双金属镍钨碳化物Ni₂W₄C，从而制备得到全解水材料。本发明制备得到的材料具有高比表面积，有利于电解液的扩散和气体的脱附，同时可同时作为阴极和阳极在碱性条件下全解水，无需涂覆到电极上，可直接作为电极进行电解水。

技术领域

本发明涉及一种自支撑双金属镍钨碳化物全解水材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

能源是人类社会发展和生存的重要物质基础，石油、煤炭等化石燃料的逐渐枯竭以及日益严重的环境问题，迫使人们寻找一种储量丰富的可再生新能源。因其燃烧热值高，燃烧产物无污染，可循环利用等优点，氢能的开发和利用成为新能源领域研究的热点之一。氢位于元素周期表之首，原子序数最小，却是自然界中最普遍的元素(约占宇宙质量的75％)，但它主要以化合物的形态贮存于水中，无法直接使用，因此，实现廉价、高效和大规模的制氢途径是氢能经济发展的前提。

目前制氢的主要方法包括矿物燃料制氢、生物质制氢、光催化制氢和电解水制氢，其中，电解水因其制备出的H₂和O₂纯度高，转化率接近100％，成为了实现工业化廉价制备氢气的重要手段。但电催化反应涉及多步质子耦合的电子转移过程，过电势很大，能耗较高，因此需要催化剂来降低阴极过电位。传统工业电解水催化材料主要依赖于Pt等贵金属，其价格昂贵、比表面积小、稳定性差，导致了电催化制氢工业化进程受到限制。因此，研究和开发低成本、高效率和高稳定性的电解水催化材料具有非常重要的经济价值和社会意义。

近年来，过渡金属硫化物、碳化物等因其在酸性条件下具有较高的催化活性和稳定性，越来越得到科学家们的青睐。但是，目前仍存在一系列科学和技术问题亟待解决。催化剂的表面原子结构、表面组成、晶体结构、整体微观形貌等对整体催化性能具有重要的影响，如何通过催化剂的纳米结构化设计和精细调控其结构拓宽其在碱性和酸性条件下兼顾高效的电解水制氢仍需进一步研究。目前工业电解水所用电解液多为碱性溶液，这就要求催化剂在碱性溶液中兼具高效性和稳定性，然而大多数过渡金属化合物在碱性电解液中没有同时可以进行析氢和析氧反应的催化活性，开发具有双功能的电解水催化剂仍具挑战。

自支撑电极是将电催化剂直接生长在导电基底表面，不需要有机分子连接，保证了良好的导电性和稳定性。基底与纳米晶强烈的化合耦合作用不仅可以提升电子传输效率、又可以提升催化剂的稳定性，有效避免电解液侵蚀导致的催化剂失活，因此，需要开发一种基底材料可以调控和生长催化剂纳米晶，从而与纳米晶形成一个整体。

静电纺丝法制备的碳纳米纤维膜(CNFs)具有高效稳定、比表面积大、孔隙率高、吸附性能好等优点，以及优异的导电性能和可直接作为自支撑电极的特点，引起了广泛关注。

发明内容

[技术问题]

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中催化材料催化活性低、稳定性差、导电性差、无法同时作为电极进行全解水等难题。

[技术方案]

本发明的目的在于提供一种能够在酸性和碱性条件下能够全解水制氢的电解水催化材料，本发明利用静电纺丝法和高温热还原法制备一种双金属镍钨碳化物电解水催化材料，本发明方法工艺简单、成本低廉，制备的碳纳米纤维负载双金属镍钨碳化物催化剂活性较高，可实现在碱性下的高活性氧析出和氢析出反应。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案为：一种自支撑双金属镍钨碳化物全解水材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：