[发明专利]双功能非贵金属氮化物催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢应用

说明书

本发明公开了一种基于廉价的双功能非贵金属氮化物纳米多孔异质结的可控制备和大电流电解尿素制氢研究，属于电催化材料制氢与燃料电池研究领域。本发明技术方案要点：以Fe(NOsubgt;3/subgt;)subgt;3/subgt;·9Hsubgt;2/subgt;O和乙醇的混合溶液作为前驱体，对商用泡沫金属基底（泡沫镍、钴、钴镍或铁等）进行表面修饰，然后通过高温氮化处理得到NixFeN/Nisubgt;3/subgt;N（x=1，3）纳米异质结催化剂。这种独特的异质结催化剂得益于金属氮化物的金属性、三维纳米多孔结构、以及不同氮化物之间的强化学键作用等，在碱性环境、大电流密度500 mA/cmsupgt;2/supgt;的电催化析氧和尿素氧化的过电位只需293和162 mV。该电催化剂材料在氢能源与燃料电池的绿色制备上具有广阔的应用前景，可实现高效、大电流稳定产氢与尿素污染处理，推动氢能产业发展。

技术领域

本发明电催化材料用于电解水制氢与燃料电池研究领域，具体涉及一种双功能非贵金属氮化物纳米多孔催化剂的可控制备和大电流电解尿素制氢研究，以实现在大电流下进行高效的电解水制氢反应，大幅降低碱性电解水过程的能耗，实现大电流高效产氢。

背景技术

能源是人类生存和发展的重要物质基础，在衣食住行、社会经济发展等方面具有决定性作用。然而，化石燃料的过度消耗和随之而来的环境污染问题迫使人们寻找、开发储量丰富的可再生清洁能源。氢能作为清洁、可持续、热值高、高能量密度的能源载体，易于存储和转换，在宇宙中含量丰富，且无污染、零排放，被认为是未来替代化石燃料的理想能源，有望在我国未来的能源结构布局中发挥至关重要的作用。因此，实现氢气的宏量化生产是促进氢能应用的重要前提。在众多的制氢工艺中，电解水制氢技术可由风、水、光等可再生能源电力驱动水分解制取氢气，缓解弃风、弃水、弃光等“三弃”问题，因而得到广大学者的关注。但作为电解水的其中一个半反应阳极析氧反应(OER)，其复杂的四电子转移过程导致迟缓的反应动力学，需要相当大的过电位匹配制氢速率，成为电解水反应整体效率的瓶颈，极大地限制了制氢效率和能量转换效率。这促使我们探索低成本、高活性和高稳定性的非贵金属析氧催化剂替代价格昂贵的Ru、Ir等商用催化剂来促进OER反应，或者挑选新的低过电位的阳极反应来匹配阴极析氢反应，以实现高效的电解水制氢反应。尿素来源广泛、无污染、催化理论操作电压低（0.37 V）等优势，这使尿素燃料成为氢燃料和水裂解系统的理想替代品，既可以实现污染物处理的功能又可以实现高效制氢，降低水分解过程的能耗。然而，尿素氧化性能受限于6电子转移，且许多尿素氧化的催化剂在碱性环境很不稳定，只能稳定工作不到1小时。考虑到潜在的工业应用，我们亟需研发出能够兼具优异的电催化析氧、尿素氧化(UOR)性能且在大电流稳定的双功能非贵金属催化剂，从而根据需要选择合适的阳极反应来匹配阴极析氢反应，并且高性能的电催化析氧和尿素氧化催化剂在解决环境污染、温室效应和能源短缺等方面有广泛的应用。很遗憾的是，目前这种双功能非贵金属催化剂还未见报道，大部分催化剂都表现出优异的尿素氧化性能，但极不稳定。因此，我们需要开发高效、廉价的阳极材料与其他高性能的析氢催化剂一起构建不对称的两电极水分解器件，促进高效制氢。为此，在该专利中，我们通过在商用泡沫镍上设计高性能的双非贵金属氮化物纳米多孔分级结构，同时实现高效的析氧和尿素氧化催化性能，以期降低电解水反应的电能消耗，致力于实现大电流稳定产氢和减少尿素污染, 推动氢能源产业发展。

发明内容

本发明旨在提供一种双功能非贵金属氮化物纳米多孔催化剂应用于大电流电解尿素制氢。通过室温腐蚀以及化学气相沉积法得到的金属氮化物异质结催化剂在碱性环境中表现出优异的OER和UOR反应活性。例如，Ni_XFeN /Ni₃N（x = 1，3）异质结仅需要293和162mV 的过电位就能驱动大电流密度500 mA/cm²析氧和尿素氧化催化性能，且在大电流处有优异的稳定性，而在国际上对既能高效析氧又能高效尿素氧化且大电流稳定的双功能催化剂报道甚少，其中UOR的过电位相对OER反应降低了约130 mV，这对提高电解水制氢反应的能量效率至关重要。

这类非贵金属催化剂的的制备方法包括以下步骤：