[发明专利]一种用于酸性氢析出反应的碳担载铂钴铑纳米棒状催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种用于酸性氢析出反应的碳担载铂钴铑纳米棒状催化剂及其制备方法与应用，属于电催化剂技术领域。本发明通过溶剂热法并引入气体保护，制备得到均匀分散且直径较小的铂钴铑金属纳米棒状晶体，多次离心清洗以获得清洁表面，并最终得到低贵金属载量(10～20wt％)的电催化剂，所制备的担载型催化剂为铂钴铑纳米棒状晶体均匀分散在碳载体表面。本发明所得到的纳米晶体直径较小，尺寸均一性和分散性好，并具有较高的电化学活性比表面积和本征活性，较优异的电催化活性，适用于酸性水电解阴极氢析出反应。

技术领域

本发明属于电催化剂技术领域，涉及一种用于酸性氢析出反应的碳担载铂钴铑纳米棒状催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

目前全球的能源与环境问题日益严峻，开发环境友好且可持续的能源并对其进行清洁高效零排放的利用，是目前全球能源技术发展的重要方向。氢能就是这样一种绿色清洁的能源，水电解产氢技术能够将目前已开发的可再生但间断性能源(如太阳能、风能)转化为氢气实现能源的存储，极大程度降低由于自然资源产能过剩造成的损失，为消纳这几类清洁能源做出贡献，同时其产生的高纯氢气可用于燃料电池阳极侧，有效避免工业氢气中一氧化碳等气体对燃料电池催化剂的毒化。此外，电网产生的多余电力也可通过水电解技术转换为氢能，之后氢气通过其他的能源反应装置(如燃料电池等)转化为可直接利用的能源形势。对于酸性水电解技术而言，阳极接直流电源的正极，并通入液态水，发生氧析出反应(2H₂O-4e^-→4H⁺+O₂)，产生的H⁺通过质子交换膜传递到阴极侧，阴极接直流电源负极，发生氢析出反应(4H⁺+4e^-→2H₂)获得高纯氢气。但水电解池阴阳极两侧反应的过电位较高，同时阴极氢析出侧反应使用贵金属Pt价格昂贵且资源短缺，因此需要开发高性能且低铂的氢析出催化剂，减少氢析出反应过电位的同时，降低Pt的用量并提高贵金属的利用率。

Shi等采用低温水相硼氢化钠(NaBH₄)共还原反应制备得到Pt₅₃Ru₃₉Ni₈全金属电催化剂，通过还原剂原位形成的大量氢气泡合成多孔海绵状结构。该方法能够简单快捷制备得到金属电催化剂，但是该催化剂形貌较差，对氢析出催化性能的提升较小(Journal ofColloid and Interface Science，2017，505，14-22)。Shan等采用多元醇共还原法，将金属盐前驱体加入乙二醇中，通过高温热回流的方法获得过渡金属(Co、Ni、Fe等)掺杂的钌(Ru)铱(Ir)纳米晶。该催化剂能通过过渡金属掺杂大幅度提高RuIr合金纳米晶的电解水能力，但其在用于氢析出测试中的载量较高，故单位活性位点的本征活性较低，不利于减少催化剂的用量(Advanced Materials，2019，31(17)，1900510).

H·戴等通过加入合适的多孔基质，诱导金属或混合金属氢氧化物前体在低压退火下分解为金属氧化物/金属异质结构，但该异质结构催化剂主要用于碱性氢析出反应，且相较于商业Pt/C电催化剂还有较大差距(H·戴，M·龚，里兰斯坦福初级大学理事会，申请号：201580048035.5)。邢巍等将镍源、铵源等混合分散得到第一复合材料，后将其载在支撑体上进一步反应得到第二复合材料，再添加磷源、硫源反应得到氢析出的磷化镍催化剂，其中硫掺杂可以有效抑制硫化镍表面被氧化，且直接将催化剂生长在集流体上，有利于增加电导率，并在同类非贵金属电催化剂中展现出较优异的性能，但相比于商业Pt/C电催化剂还有待进一步提升(邢巍，常进法，李国强，刘长鹏，葛君杰，李晨阳，梁亮，张弘，中国科学院长春应用化学研究所，申请号：201710703167.8)。此外，还未见报道相关低贵金属纳米棒状电催化剂适用于酸性水电解的阴极氢析出反应。

综上所述，已报道的文章或专利中氢析出电催化剂形貌均一性较差，或本征活性较低，且非贵金属电催化剂相比于商业Pt/C电催化剂性能还有部分差距。

发明内容