[发明专利]生物基碳材料负载无机物复合电催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了生物基碳材料负载无机物复合电催化剂及其制备方法。通过加热法得到NiCo‑CQDs负载的细菌纤维素，再通过高温磷化的方式得到电催化剂(NiCoP‑CQDs/b‑CNF)。实验结果表明，NiCoP‑CQDs/b‑CNF复合材料在酸性条件下，析氢反应(HER)的起始电位仅为67mV，达到10mA/cm²的电流密度时过电位仅为189mV，其塔菲尔斜率低至86.2mV/dec。同时，该催化剂在酸性条件下展现了良好的耐久性和稳定性。本发明提供了一种电催化活性好、成本低廉且环境友好的NiCoP‑CQDs/b‑CNF电催化剂及其制备方法。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种生物基碳纤维(b-CNF)负载磷化镍钴双金属纳米粒子(NiCoP)及碳量子点(CQDs)的复合电催化剂及其制备方法。

背景技术

氢能是一种高效、清洁的二次能源，被认为是最具有替代传统石化燃料潜力的新能源。目前，主要的氢气制备方法有传统石化燃料制氢、生物制氢、太阳能制氢、直接热解法制氢、电解水制氢等。这其中，电解水制氢(HER)是一种操作简便的制氢法，不仅可以以环保的方式将电能转化为化学能，而且制得的氢气纯度高。然而，电解水制氢同时也存在需要高电能消耗的问题，因此迫切需要有效的HER催化剂来提高电解水制氢的效率。商业Pt/C是一种高效的电解水催化剂，但是其使用的金属Pt储量稀缺、价格昂贵限制了Pt/C催化剂在电解水制氢大规模商业化应用的潜力。因此急需找到效率高、储量丰富、价格低廉的电解水催化剂作为Pt/C催化剂的替代品，助力电解水制氢技术在现实中的大规模应用，解决目前所面临的能源危机。为了解决Pt/C催化剂的问题，现有技术中存在采用新电解催化剂的制备和研究，例如在“CN201910851387.4一种碳纸负载的Fe-NiCoP异质结构及其制备方法和应用”中，其制备得到的碳纸负载的Fe-NiCoP异质结构，在电解水反应中，10mA/cm²电流密度所对应电位为1.5400V；因此还需提供了一种成本低廉，制备方法简便，对环境友好，电催化性能良好且稳定的电催化剂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种生物基碳纤维(b-CNF)负载磷化镍钴双金属纳米粒子(NiCoP)及碳量子点(CQDs)的复合电催化剂及其制备方法。所述方法通过简单的加热和磷化等方式制备得到NiCoP-CQDs/b-CNF电催化剂，且相互之间具有协同作用，可以取得优异的HER催化性能，可以作为Pt/C催化剂的替代品，助力电解水制氢技术在现实中的大规模应用。

实现本发明的技术方案是：

NiCoP-CQDs/b-CNF复合材料电催化剂的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：将Ni盐和Co盐溶解于CQDs的分散液之后，加入到一定质量的经过冻干的细菌纤维素膜中，摇晃，使Ni盐与Co盐、CQD均匀吸附在细菌纤维素膜表面，随后在烘箱中干燥、吸附，通过高温干燥的方式得到NiCo-CQDs负载的细菌纤维素。

步骤1中的细菌纤维素膜是经过冷冻干燥预处理的，这样处理得到的细菌纤维素膜中间孔隙较大，可更好地吸附Ni盐、Co盐和CQDs。

步骤1通过金属掺杂可以提高磷化物的性能，Ni和Co之间的相互作用可以改变彼此的电荷结构，产生协同作用，因此双金属磷化物比单金属磷化物更具有电催化活性。

步骤2：将步骤1得到的产物转移至管式炉，在管式炉风路的上风口放入磷盐，并通惰性气体，在高温下磷化，得到NiCoP-CQDs/b-CNF电催化剂。

步骤2在进行煅烧时，在管式炉的上风口加入次亚磷酸钠目的是为了加热时形成含磷的气氛，使得材料完全负载磷。且磷化工艺对CQDs、碳纤维也有促进作用，如果先磷化制备得到NiCoP，然后再将NiCoP、CQDs负载在b-CNF上，则无法达到本申请的效果。