[发明专利]一种碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂及其制备方法和应用。该催化剂主要是由载体碳气凝胶和负载于载体上的钯、铜活性组分组成，其中活性组分钯的负载量为载体质量的1~5wt.%，活性组分铜的负载量为载体质量的1~10wt.%。本发明通过钯、铜间的相互作用对电子结构进行优化调整，使催化剂具有良好的析氘性能，此外催化剂整体制备步骤简单，原料获取简单，具有很大的应用潜力。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂及其制备方法和在电化学析氘反应中的应用。

背景技术

电解水是将可再生能源产生的间歇性电力转化为绿色高纯度氢气的一种重要而有效的方法，近年来，阴极侧析氢反应（HER）电催化剂的研究工作已经取得了许多进展，而析氘反应（DER）的高效电催化剂的开发相比之下还不够成熟。同位素氘最初主要运用于军事方面,如核能工业、核武器、氟化氘化学激光武器等。后来,氘的用途越来越广,氘作为民用材料在光导纤维材料、润滑剂性能优化、特殊灯源、核医学研究、农业育种、制药、硅半导体的退火与烧结等领域都有重要用途。

氘气制备的主要方法有液氢精馏法、电解重水法、气相色谱法、激光法等。氘在天然氢中的含量为0.0139%~0.0156%，D₂的沸点为23.5K，H₂为20.38K，HD的沸点为22.13K，因此由精馏液氢来制取氘气，理论上是完全可能的，但是该过程涉及的能量消耗巨大，使得这一技术制氘气所带来的经济效益不是非常理想。

电解重水制备氘气采用普通电解水装置，以碱金属的氘氧化物为电解质或固体聚合物电解质电解重水，该方法制得的氘气纯度较高，且设备相对于精馏液氢法更为简单亦生产更容易控制，而电解重水制氘气的关键在于降低电极的过电势，提高能量的利用率，这便依赖于高效、高稳定性DER电催化剂的开发。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂及其制备方法和应用，本发明采用微波法合成碳气凝胶载体，高温还原钯、铜盐使其负载于碳气凝胶上。

所述的碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂，其特征在于该催化剂主要是由载体碳气凝胶和负载于载体上的钯、铜活性组分组成，其中活性组分钯的负载量为载体质量的1~5wt.%，铜的负载量为载体质量的1~10wt.%。

所述的碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂，其特征在于所述催化剂的制备方法具体包括以下步骤：

1）将有机碳化物加入混合溶液中，调节pH，利用微波法合成碳气凝胶前驱体，经冷冻干燥后进一步热解形成碳气凝胶载体；

2）称取碳气凝胶载体、钯盐、铜盐于研钵中，充分研磨，得到均匀混合的固体混合物；

3）将步骤2）所得固体混合物置于管式炉中高温还原，在氢气气氛下，以1~10℃/min的升温速率升温至煅烧温度，煅烧温度为300~400℃，再恒温煅烧2~3h后自然冷却至室温，得到碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂，煅烧条件优选为5℃/min升温速率升至350℃，恒温煅烧3h。

所述的碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂，其特征在于步骤1）中所述的有机碳化物为间苯二酚，混合溶液为去离子水和甲醛混合溶液，间苯二酚的质量浓度为0.1~0.2g·mL^-1，混合溶液中去离子水与甲醛体积用量比为2~3：1，优选为间苯二酚质量浓度0.15g·mL^-1，去离子水与甲醇体积比11：4。

所述的碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂，其特征在于步骤1）中,采用调节溶液调节pH，调节溶液为弱碱性溶液，调节溶液pH至7~8，微波法合成在70~100℃下进行20~30min，优选为80℃下进行20min，仪器功率100W，冷冻干燥于-50~-60℃下进行9-10h。

所述的碳气凝胶负载钯铜双金属催化剂，其特征在于步骤1）中，热解温度为700~800℃，恒温3~5h，优选为800℃下恒温4h，且在氮气气氛下进行。