[发明专利]一种FeCo@NC核壳结构催化剂、制备方法及其在海水电解制氢中的用途

说明书

本发明涉及一种FeCo@NC核壳结构催化剂、制备方法及其在海水电解制氢中的用途。本发明通过改变三聚氰胺的加入量，有效调控核壳结构中外层掺氮碳壳的厚度，进而优化催化剂的各项性能，并通过改变碳源种类，合成掺氮与不掺氮的核壳结构催化剂，发现含氮碳壳的核壳催化剂FeCo@NC中N与金属M以及碳原子之间构成的配位键M‑N‑C有利于电子传递和选择性发生氧析出反应，在发生催化反应时像在FeCo@NC的碳壳中搭建了无数个快速电子传递通道促使内部金属核与外部碳壳之间进行电子传递。用于全解海水实验，发现在30℃与1.0Acm^‑2的大电流密度下，电极电压仅为1.98V，具有较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种FeCo@NC核壳结构催化剂、制备方法及其在海水电解制氢中的用途，属于水电解制氢技术领域。

背景技术

氢能作为一种清洁、高效、可持续发展的二次能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。发展绿色“氢能”是实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要举措之一，是国家的重点研发方向之一。

近年来，电解水制“绿氢”技术受到广泛关注。其中，以海水为原料，可再生资源发电(如风能、水能和太阳能发电等)为驱动力形成电解海水的制氢路线，不仅能解决电解水源的问题，而且可实现资源有效配置和缓解淡水资源短缺等问题。

但电解过程中，海水中大量氯离子的析出反应(CER)不仅与氧析出反应(OER) 相互竞争，且易与金属集流体发生作用而将金属溶出，导致腐蚀发生，限制系统使用寿命。因此，急需开发具备高OER选择性、高稳定性和催化活性的电催化剂以加速海水分解过程。

尽管贵金属基催化剂(如RuO₂)在电解水中表现出优异的催化活性和稳定性，但其成本高昂、资源稀缺致使无法大规模应用。而过渡金属基化合物(如Fe、Co、Ni等) 在高盐度海水中，其OER选择性和长期稳定性较差。因此，众多研究者在提高过渡金属催化剂的稳定性方面付出了巨大努力。

发明内容

本发明所要实际解决的技术问题在于：进行海水电解制氢的过程中，现有的催化材料存在着由于电解体系中存在的Cl^-而导致的氧析出反应(OER)选择性不高、以及Cl^-的存在导致的活性金属腐蚀、失活的问题。

针对以上的问题，本发明设计了一种新颖的核壳结构催化剂，其壳层为掺氮的碳材料，其内核为FeCo合金；通过壳层中的掺氮，一方面提供了更多的活性位点，使材料的催化活性和OER选择性提高，另一方面通过调控壳层的厚度，使得壳层对于内部的活性金属起到保护作用，避免了Cl^-导致的活性金属腐蚀失活的问题。

更具体地技术方案是：

一种FeCo@NC核壳结构催化剂，包括内核以及外壳，内核为FeCo合金，外壳为掺杂有 N元素的碳材料。

所述的外壳的厚度7-30nm，优选10-15nm。

所述的内核中Fe和Co的摩尔比1：0.5-1.5。

一种FeCo@NC核壳结构催化剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将钴源、铁源、含氮碳源溶解于溶剂中，搅拌均匀，蒸干溶剂，得到前驱体；

步骤2，将前驱体焙烧，得到催化剂。

钴源是硝酸钴、氯化钴、硫酸钴、柠檬酸钴中的一种或几种的混合。

铁源是硝酸铁、氧化铁、硫酸铁、柠檬酸铁中的一种或几种的混合。

所述的含氮碳源选自三聚氰胺。

所述的钴源、铁源摩尔比1：0.5-1.5。