[发明专利]一种用于碱性电催化析氢的复合材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种用于碱性电催化析氢的复合材料及制备方法，所述的复合材料由钴基ZIF‑67和碳组成，所述的复合材料如通式(I)所示：ZIF‑67/C(I)，其中ZIF‑67为Co‑2‑甲基咪唑。制备方法通过将Co(NO₃)₂·6H₂O和2‑甲基咪唑的甲醇溶液混合得到ZIF‑67纳米材料，然后将ZIF‑67纳米材料与导电碳黑的水分散液和Nafion溶液混合超声制备得到ZIF‑67/C纳米电催化剂。本发明方法简单、价格低廉，制备得到复合材料具有更好的电催化析氢性能和稳定性。

技术领域

本发明属于电解水催化析氢技术领域，具体涉及一种用于碱性电催化析氢的复合材料及制备方法。

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，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。从自然界中大规模获取纯净的氢气作为开发和利用氢能源重要环节之一，目前已发展的制氢方法有很多，但在各种制氢技术中，电解水制氢具有产品纯度高、电解效率高、无污染、取材丰富等优点已被广泛利用。因此，电解水制氢技术被认为是未来通向“氢经济”的最佳途径。在电解水制氢技术中，根据水的酸碱度分为酸性条件下电解水以及碱性条件下电解水两种，由于在酸性条件下电解水对电解设备原材料要求较高，很难满足大规模工业化长期稳定的生产。因此，目前工业上大规模电解水都是在碱性条件下进行。而电解水工业与其他电解工业一样存在能耗较高的问题，据统计对于电解水生产企业而言，电力损耗成本约占其生产成本的50％以上。因此，降低电解水工业的能耗不但能够提高生产企业的经济效益，而且也符合我国“节能减排”中长期的发展要求。目前碱性条件下电解水制氢工艺中，所使用的析氢电极为镍网基贵金属氧化物阴极，伴随着近些年来贵金属价格的上涨，其生产制造成本逐年提高，因此如何进一步提高现有贵金属氧化物析氢电极的析氢电催化活性，以提高其应用的性价比以及开发高活性、低成本的析氢电极已成为电解水生产企业的首要问题。

金属有机框架化合物(MOFs)是由金属中心与多齿有机配体通过配位键形成的立体网络结构的多孔晶体材料，具有独特的优点，如多孔性、比表面积大、结构规整及可调控性、易功能化等，在吸附、分离、磁性、光学、催化、储氢、分子识别等诸多领域显示出独特的物理化学性能和潜在的应用价值。近年来，MOFs及其衍生物因其独特结构和物理化学性质，在电化学能源转换中的应用备受关注。MOFs作为电催化剂具有以下几个显著特点：(i)具有高度有序多孔结构，孔径分布均一，比表面积大，有利于活性组分的分散，为电催化反应提供大量活性位点；(ii)孔径的可调控性，通过调整金属中心和有机配体可得到超微孔到介孔各种孔径的MOFs材料，有利于复杂多孔催化剂的制备；(iii)易功能化和修饰，有利于MOFs与其他功能性物质相结合，制备复合材料，改善MOFs本身的电催化性能；(iv)可采用几种不同金属制备MOFs，并保持其原来的拓扑结构等，这些都为MOFs电催化剂的设计提供了很大的发展空间。虽然基于MOFs纳米电催化剂的研究取得了一定的进展，但是其研究还处于初始阶段，MOFs电催化剂仍然存在一些问题，比如导电性较差，电催化活性还有待进一步提高，在酸碱条件下的稳定性较差等。针对此缺陷和不足，此发明提供了一种钴基MOF(ZIF-67)和碳的复合材料的制备方法，所述材料能在碱性条件下电催化分解水产氢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种价格低廉、高效率的碱性电催化析氢催化剂，本发明的另一目的在于提供该催化剂的制备方法。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种用于碱性电催化析氢的复合材料，所述的复合材料由钴基ZIF-67和碳组成，所述的复合材料如通式(I)所示：

ZIF-67/C (I)。

所述的ZIF-67为Co-2-甲基咪唑。

在本发明的另一方面提供了上述用于碱性电催化析氢的复合材料的制备方法，包括以下步骤：