[发明专利]一种高效全解水的非贵金属Ni-C复合纳米催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高效全解水的非贵金属Ni‑C复合纳米催化剂及其制备方法，涉及能源催化转换技术领域。它由Ni纳米颗粒负载于生物多孔碳表面构成，其制备步骤包括：(1)配制不同浓度的含Ni化合物水溶液，将生物质材料浸渍于上述溶液中2小时后，取出置于冷冻干燥机中干燥，得到Ni‑C前驱体材料；(2)将所得前驱体材料装入带盖坩埚中，在一定的保护气体下进行热处理，将所得材料经球磨、离心、干燥、研磨工艺即得到非贵金属Ni‑C复合纳米催化剂。该制备方法具有制备工艺简单，易于控制，制备成本低等特点。所得非贵金属Ni纳米催化剂在生物多孔碳上负载均匀，颗粒粒径为1‑10nm，负载量可控，电解水析氢和析氧催化活性高，稳定性好。

技术领域

本发明涉及一种高效全解水的非贵金属Ni-C复合纳米催化剂及其制备方法，涉及能源催化转换技术领域。

背景技术

电催化剂作为全水解的材料由于其低成本，高效率，和适中的过电位引起相当大的关注。贵金属基电催化剂，如铂基和铱基材料，已经广泛用于析氢反应，但是，其稀缺性和高成本是进一步发展的巨大障碍。因此，开发一种廉价、丰富、高效、耐用的非贵金属催化剂极具研究价值。过渡金属基催化剂，例如，铁、钴、镍及其氧化物，氢氧化物，硫化物，磷化物，金属合金等，尤其是过渡金属镍被认为是有非常前途的非贵金属催化剂。镍/碳复合催化剂在碱性电解液中对HER和OER的表现出较好的催化性能。然而，由于镍催化剂的大颗粒尺寸和Ni颗粒和碳载体之间的弱结合，在提高其催化活性和稳定性方面具有巨大挑战。

发明内容

本发明提供了一种高效全解水的非贵金属Ni-C复合纳米催化剂及其制备方法。一种高效全解水的非贵金属Ni-C复合纳米催化剂，由非贵金属Ni纳米颗粒和生物多孔碳组成，Ni纳米颗粒稳定负载在生物多孔碳的表面。该制备方法具有制备工艺简单，操作方便，制备成本低等特点。所得非贵金属Ni-C复合纳米催化剂在生物多孔碳上负载均匀，颗粒粒径小，负载量可控，电解水析氢(HER)和析氧(OER)催化活性高，稳定性好。

按上述方案，所述的金属镍纳米颗粒粒径1nm-10nm范围可调，Ni纳米颗粒的负载量为2-25wt％。

按上述方案，所述的生物质多孔碳中原位掺杂有N原子，多孔碳的微观结构为蜂窝状结构。

本发明还提供了一种结合浸渍法和原位共还原技术合成非贵金属Ni-C复合纳米催化剂的方法，步骤如下：

(1)配制不同浓度含Ni化合物的水溶液，所述的含Ni化合物为乙酸镍、硝酸镍、硫酸镍和氯化镍中任何一种化合物，将生物质材料浸渍于上述溶液中1-6小时，所述的生物质材料为龙须菜、土豆、白萝卜和海发菜中任何一种，然后取出置于冷冻干燥机中进行干燥，得到Ni-C的前驱体材料；

(2)将步骤(1)所得的Ni-C前驱体材料装入刚玉坩埚中，在有一定保护气氛的管式炉中进行热处理1-5小时，取出样品后经球磨、离心、干燥，研磨工艺处理，得到非贵金属Ni-C复合纳米催化剂。

按上述方案，所述的前驱体中的含Ni化合物包括但不局限于六水合硝酸镍，也可以是乙酸镍、氯化镍或者硫酸镍。

按上述方案，所述的生物质材料经预处理得到，即用去离子水浸渍2小时。

按上述方案，所述的浸渍时间为1-6小时。

按上述方案，所述的冷冻时间12-24小时，干燥真空度为1-100Pa，冷冻温度为-40℃至-60℃，干燥时间24-72小时。

按上述方案，所述的非贵金属Ni-C复合纳米催化剂是由Ni-C前驱体材料在一定保护气氛保护下热处理1-5小时后得到的。

按上述方案，所述的保护气氛为氮气、氩气、氮/氢混合气或氩/氢混合气。

按上述方案，所述的热处理温度300℃-900℃。

按上述方案，所述的升温速率为1-5℃/min。