CN112410815A - 一种表面修饰的电催化剂及其制备方法 - Google Patents

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周清稳
顾伟诗
石菲扬
周楠
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Abstract

本发明公开了一种表面修饰的电催化剂及其制备方法，属于电催化剂技术领域。所述表面修饰的电催化剂是将多孔镍基材料在硼源溶液中浸泡后得到。本发明通过硼元素对多孔镍基材料的表面调控，开发具有高催化活性的非贵金属催化剂进行电催化水分解制备氢气。

Description

一种表面修饰的电催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于电催化剂技术领域，具体涉及一种表面修饰的电催化剂及其制备方法。
背景技术
电解水制氢由于产品纯度高（99.7%以上）、无污染、原料来源广等优势，逐渐成为大规模制氢的重要途径。在电解水反应中，由于反应过程中存在活化能势垒，同时在整个反应过程中存在的各种电阻也会消耗部分电势，导致存在一定的超电势、产氢效率降低和能耗增加，降低了经济效益，降低超电势的关键是采用具有高电催化活性的阳极和阴极材料。贵金属Pt、Ru、Ir及其氧化物等可有效降低超电势，是目前最高效的电催化剂。但是由于稀缺性和高成本性等原因，限制了在电催化分解水方面的大规模应用。因此，设计开发超电势低、高催化活性、高导电性、高稳定性、来源丰富、低成本的非贵金属电催化剂，对提高制氢效率、降低能耗和成本等显得尤为重要。
目前的电解水析氢技术已经取得了一定的成果，在过去几年里，为开发包括过渡金属氧化物在内的高效催化剂作出了大量努力，过渡金属（氧）氢氧化物、硒化物、磷化物以及氮化物，为了降低OER过电位，其中一些催化剂甚至优于基准贵金属Ir和Ru，这在很大程度上加速了电解水进程，但是由于操作繁琐，导致了大量的时间和能量消耗。目前有大量的研究工作，以进一步促进镍基（氧）氢氧化物的HER活性催化剂通过各种战略，包括形态学设计，以暴露更多的活性位点，表面缺陷工程来调节电子结构，还有与碳材料结合，以改善电子转移等。如：在碱性介质中，从镍铁二硫化物中得到的镍铁（氧）氢氧化物与碳纳米管耦合，以获得有效的OER，发现该催化剂在电流密度为10mAcm时需要190mV的极低过电位，使其成为减少电流密度为10mAcm所需过电位的少数OER催化剂之一；MoNi4/MoO2是目前为止报道的最活跃的HER催化剂，在电流密度为10和500mAcm时，分别只需要15和~70mV的过电位， 但合成这种催化剂需要一个多步骤的过程，在高温下进行了很长时间，甚至需要消耗高纯度的H2天然气，所以大规模应用是不经济的。
发明内容
本发明所要解决的技术就是提供一种简便的表面修饰电催化剂及其制备方法，一方面解决其他过渡金属合成过程通常涉及高温下繁琐的多步骤过程，从而产生大量的时间和能量消耗的问题，另一方面解决了表面缺陷工程，以暴露更多的活性位点。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种表面修饰的电催化剂，是将多孔镍基材料在硼源溶液中浸泡后得到。
进一步地，所述硼源溶液为硼氢化钠水溶液。
上述电催化剂的制备方法，是将多孔镍基材料置于硼源溶液中浸泡，取出后洗涤干燥即可得到表面修饰的电催化剂。
进一步地，所述硼源溶液为硼氢化钠水溶液，硼氢化钠的浓度为0.1~3mol/L。
进一步地，浸泡时间为1-10分钟。
本发明通过硼元素对多孔镍基材料的表面调控，开发具有高催化活性的非贵金属催化剂进行电催化水分解制备氢气。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 制备方法采用简易的一步法，缩短了时间及减少了能源消耗；
2. 利用硼源对多孔镍基材料进行表面修饰改性，为其表面暴露了更多的活性位点以及提高了更高的表面积，进而优化了电催化析氢性能。
附图说明
图1为实施例1中制备得到的硼表面修饰结构电催化剂的扫描电镜图片，a为硼表面修饰电催化剂、b为原始多孔镍基材料。
图2为实施例1中制备得到的硼表面修饰结构电催化剂的能谱图。
图3为实施例1制备得到得到的硼表面修饰结构电催化剂和对比例1~2中电催化剂的三电极析氢线性伏安扫描曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
制备方法：将0.3783g硼氢化钠和0.04g氢氧化钠溶于10ml水中；将裁剪适当尺寸的多孔镍基材料置于其中浸泡2分钟，经过洗涤后干燥得到硼表面修饰结构电催化剂。
图1a可以看出硼表面修饰电催化剂相对于图1b原始多孔镍基材料来说，表面破坏，证实了硼源对其表面改性的作用。
图2为硼表面修饰结构电催化剂的能谱图。
对比例1
制备方法：将0.3783g硼氢化钠和0.04g氢氧化钠溶于10ml水中；将裁剪适当尺寸的多孔镍基材料置于其中浸泡1小时，经过洗涤后干燥得到对比例1催化剂
对比例2：
制备方法：将0.3783g硼氢化钠和0.04g氢氧化钠溶于10ml水中；将裁剪适当尺寸的多孔镍基材料置于其中浸泡半小时，经过洗涤后干燥得到对比例2催化剂
采用线性伏安扫描的测试方法对实施例1、对比例1和对比例2进行析氢性能测试。采用三电极体系，将实施例1、对比例1和对比例2分别固定于铂夹上作为工作电极，汞/氧化汞（内部填充1mol/L氢氧化钾溶液）为参比电极，铂网作为辅助电极，电解液采用1mol/L的氢氧化钾溶液，扫描速率为2毫伏每秒，扫描范围为-0.8伏至-1.6伏。在电化学工作站上（CHI660E,上海辰华仪器有限公司）测试电催化析氢性能，线性伏安扫描曲线图如图3所示，测试结果对应表1。
表1 实施例1、对比例1和对比例2的电催化剂析氢性能分析表
Figure DEST_PATH_IMAGE001
根据表1的数据可以看出，实施例1得到的电催化剂具有最低的过电位，表现出最优的析氢性能。

Claims (5)

1.一种表面修饰的电催化剂，其特征在于：所述电催化剂将多孔镍基材料在硼源溶液中浸泡后得到。
2.根据权利要求1所述的电催化剂，其特征在于：所述硼源溶液为硼氢化钠水溶液。
3.权利要求1所述的电催化剂的制备方法，其特征在于：将多孔镍基材料置于硼源溶液中浸泡，取出后洗涤干燥即可得到表面修饰的电催化剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述硼源溶液为硼氢化钠水溶液，硼氢化钠的浓度为0.1~3mol/L。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：浸泡时间为1-10分钟。
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