[发明专利]一种超高性能析氢电解水催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了新能源材料技术及电化学催化领域的一种超高性能析氢电解水催化剂的制备方法及应用，将含有金属元素的染料与二氧化钛进行敏化反应，加入石墨烯充分混合，再经高温热解制备出负载超分散金属纳米颗粒N/S共掺杂的碳材料作为析氢电解水的电催化剂，金属纳米粒子粒径为2 nm。在酸性和碱性条件下展示出极其优异的析氢性能，几乎可以和商业Pt/C相媲美，当电流密度为10 mA cm^‑2时，在酸性和碱性条件下分别表现出74 mV和13 mV的超低过电势。将该电催化剂应用于电解水，电流密度为10 mA cm^‑2时，电位仅为1.52 V，具有优异的电解水能力。本发明的制备工艺简单，成本低廉，催化性能优异，可重复性好，具有很好的理论和实际应用价值。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术以及电化学催化领域，特别涉及一种染料敏化法制备析氢电解水催化剂，应用析氢反应以及电解水。

背景技术

随着化石燃料等不可再生资源的逐渐枯竭和环境污染问题的日益严重，人类对新能源的需求越来越迫切。为了解决能源与环境的矛盾，人们关注各种大型储能装置，如太阳能电池、锂离子电池、超级电容器、燃料电池、金属空气电池、水裂解技术等。其中氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是燃料电池、金属空气电池的关键反应步骤。其反应过程复杂，能量势垒高，通常需要较大的过电位驱动，其动态性能限制了器件的整体性能。目前，Pt仍然是ORR反应中最好、最常用的催化剂，而OER反应中最好的催化剂是RuO₂/IrO₂。尽管Pt、RuO₂/IrO₂具有很高的催化性能，但其价格高、易中毒、储存量低限制了其广泛应用。另外，水裂解技术也存在同样的问题，Pt催化剂也广泛应用于阴极析氢反应（HER）中。因此，开发高催化活性、低成本、来源丰富、性能稳定的多功能电催化剂是推动新型能源及其技术发展的关键问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种超高性能析氢电解水催化剂的制备方法及应用，制备得到负载超分散金属纳米颗粒N/S共掺杂碳材料的析氢电解水催化剂，金属纳米粒子粒径为2 nm，在酸性和碱性条件下都表现出超低过电势；将该电催化剂应用于电解水，电流密度为10 mA cm^-2时，电位仅为1.52 V。该电催化剂的制备工艺简单，成本低廉，催化性能优异，可重复性好，具有很好的理论和实际应用价值。

本发明的目的是这样实现的：一种超高性能析氢电解水催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）将一种含有金属元素的染料A和二氧化钛在超声条件下溶解于溶剂中，进行敏化反应，所述染料A的结构如下：

；

（2）向步骤（1）完成敏化反应的溶液中加入氧化石墨烯，超声混合均匀，再于室温下磁力搅拌混合，去除反应物中的溶剂，经干燥、冷却得到前驱物；

（3）将步骤（2）中制得的前驱物置于管式炉中，在惰性气体保护下进行高温煅烧，煅烧结束后保温2~4 h，自然冷却至室温得到负载超分散金属纳米颗粒N/S共掺杂碳材料的析氢电解水催化剂。

进一步地，步骤（1）中所述染料A中金属源为钌、铂、铱、钴中的一种，所述染料A可为染料敏化太阳能电池领域使用的所有染料分子。

进一步地，步骤（1）中所述染料A与二氧化钛的质量比为1：（1.2~3），所述溶剂为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、甲苯、去离子水中的一种，所述溶剂用量是染料A与二氧化钛质量和的（0.25~0.8）倍，超声时间10~30 min。

进一步地，步骤（1）中所述敏化反应在高压反应釜中进行，控制反应温度为80~100℃，反应时间4~6 h，所述二氧化钛为P25，作为主要载体与染料A进行敏化作用。