CN105772033B - 一种用非晶态合金制备Pd-S非晶材料的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用非晶态合金制备Pd‑S非晶材料的方法，按照以下原子百分比含量制备Al‑Pd非晶合金：Al的含量为80％‑95％，Pd的含量为5％‑20％；将Al‑Pd非晶合金裁剪成厚度为10μm‑30μm，宽度为15mm‑20mm，长度为1cm‑3cm的条带；条带在无水乙醇中超声5min后，去离子水清洗，干燥后备用；将该条带与摩尔浓度为10M‑15M的硫酸水溶液一同置于密闭容器中进行反应，反应温度为70℃‑110℃，反应时间为12h‑36h，反应结束后制得的样品冲洗、干燥后即为Pd‑S非晶材料，其比表面积大且具有电催化活性的复合纳米多孔结构，其实施费用低、操作简便，耗时短，是一种高效经济的合成方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型纳米材料，主要用于电解水系统中的产氢催化剂材料。
背景技术
近年来，氢能源因其高的换能效率及清洁无污染在新能源领域受到了越来越多的关注。然而，阳极催化剂的活性及成本问题一直制约着直接甲醇燃料电池的大规模应用。Pt及Pt基合金作为性能最优秀的电解水产氢催化剂，其价格及储量限制了Pt及Pt基催化剂的商业化应用。Pd与Pt有着非常相似的化学性质，但其在价格及储量方面均优于Pt。此外，Pd基催化剂也表现出更高的催化稳定性。
纯Pd催化剂虽然具有良好的本征电催化活性，但其催化活性位点较少，使得纯Pd催化剂整体催化活性不够高。通过对纯Pd进行硫化处理，其催化产氢活性位点从Pd原子转移到S原子，同时通过制备非晶态Pd-S催化剂，使得暴露在材料表面的S原子增加，从而大幅增加材料的催化活性位，进而提升材料的整体催化活性。此外，通过对Pd催化剂的硫化处理，可以调节氢离子在催化剂表面的吸附能与释放能，进而改善催化剂的物质传输能力。因此，选择恰当的方法制备非晶Pd-S催化剂能够最大限度的提升钯催化剂的催化活性。
发明内容
针对现有技术，本发明提供一种成本低、制备过程简单的用非晶态合金制备Pd-S非晶材料的方法，本发明实施费用低、操作简便，耗时短，是一种高效经济的合成方法，本发明制备得到的复合材料主要用于电解水产氢领域的阴极催化剂。
为了解决上述技术问题，本发明一种用非晶态合金制备Pd-S非晶材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、按照以下组分及原子百分比含量制备Al-Pd非晶合金：Al的含量为5％-20％，Pd的含量为80％-95％；
步骤二、将步骤一制得的Al-Pd非晶合金裁剪成厚度为10μm-30μm，宽度为15mm-20mm，长度为1cm-3cm的条带；该条带在无水乙醇中超声5min后，去离子水中清洗并于空气中干燥备用；
步骤三、将步骤二制得的Al-Pd非晶合金条带与摩尔浓度为10M-15M的硫酸水溶液一同置于密闭容器中进行反应，反应温度为70℃-110℃，反应时间为12h-36h，将反应结束后制得的样品用去离子水冲洗，并在空气中干燥后，得到具有纳米多孔结构的Pd-S非晶材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
将Pd纳米颗粒负载在载体材料上是最常用的Pd基催化剂的制备方法，然而Pd颗粒会在长程电催化反应中溶解脱落，因此此类催化剂的长程催化性能并不高。使用脱合金法制备的纳米材料具有双连续的纳米多孔结构，此类材料具有高的比表面积，好的导电性能以及高的稳定性并能够促进物质传输，此外对纯钯进行硫化，可以有效提高催化活性位总量，并降低钯使用量，因此在电解水产氢催化剂的制备领域有着较好的应用前景。相比于晶体合金，非晶合金的成分调控更加灵活，元素分布更加均匀，因此是一种理想的脱合金前驱体材料。本发明通过脱合金法制备的Pd-S非晶材料，纳米多孔结构化学性质稳定，其在线性扫描伏安测试中在过电位200mV下电催化产氢的电流密度可达32.37mA/cm2。
附图说明
图1是实施例1制备的Pd-S非晶材料表面纳米多孔结构的SEM图；
图2是实施例2制备的Pd-S非晶材料表面纳米多孔结构的SEM图；
图3是实施例3制备的Pd-S非晶材料表面纳米多孔结构的SEM图；
图4是实施例4制备的Pd-S非晶材料表面纳米多孔结构的SEM图；
图5是实施例1-4制备的Pd-S非晶材料表面纳米多孔结构线性扫描伏安曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明方法做进一步的说明。提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。
实施例1：制备具有纳米多孔结构的Pd-S非晶材料，用非晶态合金并利用化学脱合金法制备，其制备步骤如下：
步骤一、按照以下组分及原子百分比含量制备Al-Pd非晶合金：Al的含量为95％，Pd的含量为5％；
步骤二、将步骤一制得的Al95Pd5非晶合金裁剪成厚度为10μm-30μm，宽度为15mm-20mm，长度为1cm-3cm的条带；该条带在无水乙醇中超声5min后，去离子水中清洗并于空气中干燥备用；
步骤三、取由步骤二制得的Al95Pd5非晶合金条带质量0.1g与46ml的摩尔浓度为10M的硫酸水溶液一同置于密闭容器中，并放在70℃干燥箱内，保温反应12h，反应结束后制得的样品用去离子水冲洗，在空气中干燥，得到具有纳米多孔结构的Pd-S非晶材料。
图1示出了该Pd-S非晶材料纳米多孔结构的SEM图。该复合材料具有高的比表面积，好的导电性能以及高的稳定性并能够促进物质传输，因此在电解水产氢催化剂的制备领域有着较好的应用前景。相比于晶体合金，非晶合金的成分调控更加灵活，元素分布更加均匀，因此是一种理想的脱合金前驱体材料。通过脱合金法制备的Pd-S非晶材料，纳米多孔结构化学性质稳定，图5中示出了实施例1制备得到的Pd-S非晶材料纳米多孔结构线性扫描伏安曲线，其在线性扫描伏安测试中在过电位200mV下电催化产氢的电流密度可达23.37mA/cm2。
实施例2：
制备过程与实施例1基本相同，其不同之处仅在于：步骤一中，Al的含量为90％，Pd的含量为10％；步骤三中，硫酸水溶液的摩尔浓度为13M，反应温度为110℃，反应时间为24h；最终制备得到的具有多孔结构的Pd-S非晶材料。图2示出了该Pd-S非晶材料的纳米多孔结构的SEM图，图5中示出了实施例2制备得到的Pd-S非晶材料纳米多孔结构线性扫描伏安曲线，其在线性扫描伏安测试中在过电位200mV下电催化产氢的电流密度可达34.15mA/cm2。
实施例3：
制备过程与实施例1基本相同，其不同之处仅在于：步骤一中，Al的含量为90％，Pd的含量为10％；步骤三中，硫酸水溶液的摩尔浓度为15M，反应温度为90℃，反应时间为24h；最终制备得到的具有多孔结构的Pd-S非晶材料。图3示出了该Pd-S非晶材料的纳米多孔结构的SEM，图5中示出了实施例3制备得到的Pd-S非晶材料纳米多孔结构线性扫描伏安曲线，其在线性扫描伏安测试中在过电位200mV下电催化产氢的电流密度可达47.25mA/cm2。
实施例4：
制备过程与实施例1基本相同，其不同之处仅在于：步骤一中，Al的含量为80％，Pd的含量为20％；步骤三中，硫酸水溶液的摩尔浓度为15M，反应温度为90℃，反应时间为36h；最终制备得到的具有多孔结构的Pd-S非晶材料。图2示出了该Pd-S非晶材料的纳米多孔结构的SEM图，图5中示出了实施例2制备得到的Pd-S非晶材料纳米多孔结构线性扫描伏安曲线，其在线性扫描伏安测试中在过电位200mV下电催化产氢的电流密度可达42.37mA/cm2。
由上述实施例可以看出，按照本发明制备方法可以得到具有纳米多孔结构的Pd-S非晶纳米，并且，得到的Pd-S非晶材料的纳米多孔结构在线性扫描伏安测试用出现明显的氢气析出电流，说明制备的材料在电解水产氢领域应用前景良好。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种用非晶态合金制备Pd-S非晶材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按照以下组分及原子百分比含量制备Al-Pd非晶合金：Al的含量为80％-95％，Pd的含量为5％-20％；
步骤二、将步骤一制得的Al-Pd非晶合金裁剪成厚度为10μm-30μm，宽度为15mm-20mm，长度为1cm-3cm的条带；该条带在无水乙醇中超声5min后，去离子水中清洗并于空气中干燥备用；
步骤三、将步骤二制得的Al-Pd非晶合金条带与摩尔浓度为10M-15M的硫酸水溶液一同置于密闭容器中进行反应，反应温度为70℃-110℃，反应时间为12h-36h，将反应结束后制得的样品用去离子水冲洗，并在空气中干燥后，得到具有纳米多孔结构的Pd-S非晶材料。
2.根据权利要求1所述用非晶态合金制备Pd-S非晶材料的方法，其中，
步骤一中，Al的含量为95％，Pd的含量为5％；
步骤三中，硫酸水溶液的摩尔浓度为10M，反应温度为70℃，反应时间为12h。
3.根据权利要求1所述用非晶态合金制备Pd-S非晶材料的方法，其中，
步骤一中，Al的含量为90％，Pd的含量为10％；
步骤三中，硫酸水溶液的摩尔浓度为13M，反应温度为110℃，反应时间为24h。
4.根据权利要求1所述用非晶态合金制备Pd-S非晶材料的方法，其中，
步骤一中，Al的含量为90％，Pd的含量为10％；
步骤三中，硫酸水溶液的摩尔浓度为15M，反应温度为90℃，反应时间为24h。
5.根据权利要求1所述用非晶态合金制备Pd-S非晶材料的方法，其中，
步骤一中，Al的含量为80％，Pd的含量为20％；
步骤三中，硫酸水溶液的摩尔浓度为15M，反应温度为90℃，反应时间为36h。
6.一种根据权利要求1至5中任一项所述用非晶态合金制备Pd-S非晶材料的方法制备得到的Pd-S非晶材料在电解水产氢催化剂材料中的应用。
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