[发明专利]一种自支撑双功能电解水催化剂的制备及应用

说明书

本发明提供一种自支撑双功能电解水催化剂的制备方法。通过同步磷化‑氮化‑硫化法与快速紫外辅助生长法相结合，制得负载低铂的氮硫共掺杂磷化镍自支撑电极。该自支撑电极材料可以避免使用有机粘结剂，有助于提高催化活性材料与导电基底之间的电子传输，提高该电极的导电性与催化稳定性。而且杂原子掺杂与表面铂颗粒的负载，可以进一步大大改善磷化镍较差的本征导电性与催化活性。作为电解水双功能催化剂，可以实现在较低电压下输出较高的电流，对于进一步实现节能产氢的工业化具有深远的意义。此外，该制备方法具有设备简单、易于实现控制、工艺重复性好、产品质量稳定等优点，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及催化领域，具体是一种自支撑双功能负载低铂氮硫共掺杂磷化镍电极的制备及其在电化学全解水制取氢能源方面的应用。

背景技术

氢能源制备是一个庞大且不断发展的行业。目前氢能源的主要用途是生产氨和裂解重油。由于氢气是清洁的、可再生的，它也为未来的能源载体带来了巨大的希望。然而大多数氢能源制备技术都会使用化石燃料，最终会产生二氧化碳，增加温室气体排放。电化学全解水是一种很有前途的清洁制氢技术。在该过程中，阳极发生氧化反应生成氧气(4OH^-+4e^-＝O₂+H₂O)，阴极则发生还原反应生成氢气(2H⁺+2e^-＝H₂)。然而，电解水是一个能源密集型的过程，其能耗往往会高于一般的热能耗。因此，为了降低总能量消耗，必须降低电解反应的过电位，提高电能转化效率，与国家提倡的节能减排相呼应。

电化学全解水涉及催化反应过程，因此开发经济高效的电催化剂是实现节能产氢的关键。目前，贵金属材料(如铂，铱，钌等)被认为是最有效、最具标杆性的电催化剂。然而，贵金属的成本和稀缺性阻碍了其大规模应用。过渡金属磷化物具有良好的双功能催化性能，是目前研究最多的催化材料之一。然而其较差的导电性阻碍了进一步的发展与应用。杂原子掺杂是一种具有前瞻性的改善材料导电性与提高催化活性的策略之一。因此可以借助杂原子掺杂，进一步提高磷化物的双功能催化性能。此外，与原位技术相结合，自支撑材料可以避免有机粘结剂的使用，改善催化剂与电极之间的电荷传输，提高材料的催化活性与催化稳定性，对于进一步实现低耗能节能产氢的工业化具有深远的意义。

发明内容

针对目前能源短缺的问题，本发明立足于电化学催化技术，提出一种自支撑双功能负载低铂氮硫共掺杂磷化镍电极的制备方法，并将其作为双功能催化剂应用于电解水制取氢能源。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自支撑双功能电解水催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用水热生长法，以干净的泡沫镍为基底，称取一定量六水合硝酸镍、尿素分散在一定体积去离子水中，搅拌均匀溶解，转移至反应釜中，封装外壳后，转移至恒温烘箱中，保持一定时长后，自然降温。将产物从反应釜中取出，用去离子水以及乙醇反复冲洗，在真空烘箱中烘干，制得氢氧化镍纳米片阵列电极。

(2)采用同步磷化-氮化-硫化法，将步骤(1)所得氢氧化钴纳米片阵列置于管式炉出风口下游，随后分别称取一定量硫粉，碳酸氢铵，次亚磷酸钠固体，并依次置于管式炉上风口，随后通入惰性气体，以特定的升温速率将管式炉升温至某一温度后，维持一定时长，自然降温，得到氮硫共掺杂磷化镍自支撑电极；

(3)采用快速紫外辅助生长法，将步骤(2)得到的氮硫共掺杂磷化镍自支撑电极垂直完全浸入一定浓度的氯铂酸钾溶液中，用一定功率的紫外灯对其进行照射一定时长，得到表面负载低铂氮硫共掺杂磷化镍自支撑电极。

优选的，在所述的步骤(1)中，所述的泡沫镍的厚度可为1.0～1.7mm，六水合硝酸镍用量为0.5～0.7g，尿素用量为0.6～0.8g，去离子水用量为30～40ml。

优选的，在所述的步骤(1)中，所述的反应釜体积为50ml，烘箱温度为90～110℃，恒温时长为8～10h。