[发明专利]一种负载钒钴合金纳米颗粒的电催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种负载钒钴合金纳米颗粒的电催化材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。本发明利用静电纺丝法将钒源和钴源负载在超细纤维碳前驱体上，后经过预氧化和还原过程，制备得到碳纳米纤维负载钒钴合金纳米颗粒电解水催化材料，所述电解水催化材料由反应活性物和载体组成，所述反应活性物为钒钴合金纳米颗粒，所述载体为静电纺丝法制备的碳纳米纤维材料。本发明制备得到的电解水催化材料具有高比表面积，有利于电解液的扩散和气体的脱附，同时可在酸性和碱性条件下析氢，大电压下产氢速率远高于商用Pt/C电极，此外，本发明制备的电解水催化材料无需涂覆到电极上，可直接作为电极进行电解水。

技术领域

本发明涉及一种负载钒钴合金纳米颗粒的电催化材料及其制备方法，特别涉及一种碳纳米纤维负载钒钴合金纳米颗粒电催化材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

能源是人类生存和文明发展的重要物质基础，石油、煤炭、天然气等化石燃料的日益枯竭，迫使人们寻找一种储量丰富的可再生新能源。氢能因其燃烧热值高，燃烧产物无污染，可循环利用等优点，被认为是21世纪最有前途的绿色能源之一，因此，氢能的开发成为新能源领域研究的热点之一。尽管氢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有矿物燃料制氢、生物质制氢、光催化制氢和电解水制氢，其中，电解水是实现工业化廉价制备氢气的重要手段，而且制备出的H₂和O₂纯度高，转化率接近 100％，但电催化过程能耗较高，因此需要催化剂来降低阴极过电位。更重要的是，传统工业电催化分解水电极材料主要依赖于贵金属Pt及其氧化物，其价格昂贵、比表面积小、稳定性差，这就导致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催化分解水电极材料具有非常重要的经济价值和社会意义。

近年来，过渡金属合金及其化合物，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。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催化活性，因此急需开发在碱性和酸性溶液中具有较高催化活性和稳定性的催化材料。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。

自支撑电极是将电催化剂直接生长在导电基底表面，从而不需要有机分子连接电催化剂和导电基底的电极，自支撑电极的此性能能够保证电极良好的导电性和稳定性，自支撑电极的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，能够有效避免电解液侵蚀导致的催化剂失活。因此，需要开发一种可以调控和生长催化剂纳米晶的基底材料，从而与纳米晶形成一个整体，从而形成自支撑电极。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，以及碳纳米纤维膜具有的优异的导电性能和可直接作为自支撑电极的特点，使得静电纺丝法与碳纳米纤维膜相结合的方法成为自支撑电极的一种高效的制备方法。

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、导电性差等难题。

本发明的目的在于提供一种负载钒钴合金纳米颗粒的电催化材料及其制备方法，克服了现有技术中贵金属或过渡金属氧化物材料催化活性低、稳定性差、导电性差等难题，该方法成本低廉，所制备得到的电催化剂在酸性和碱性条件下都具有较高析氢活性，且稳定性良好。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种碳纳米纤维负载钒钴合金纳米颗粒电催化材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：