CN115044927B - 一种碳化物负载金属催化剂的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳化物负载金属催化剂的制备方法及应用，具体步骤包括：先制备得到金属碳化物，随后将金属颗粒负载在金属碳化物表面，制备得到碳化物负载金属催化剂。本发明制备得到的碳化物负载金属颗粒催化剂，由于金属与碳化物之间的电负性差异，导致两者之间发生电子转移，调节了碳化物本身的电子结构，使其表面的氢吸附过程得到优化，激活了碳化物本征性能，从而具有优异的析氢催化性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于析氢反应的金属激活碳化物本征催化性能的催化剂及其制备方法。
背景技术
氢能是未来能源发展的大势所趋，通过电解水制氢得到的氢气具有纯度高等特点，但电解水阴极的析氢反应动力学缓慢，铂基催化剂作为析氢反应的基准催化剂具有储量低，应用成本过高的不足，因此发展具有优异析氢催化活性的低成本催化材料具有重要意义。
过渡金属碳化物是一种间隙合金，通过在金属的晶格中引入碳原子制备得到。碳原子的引入能够改变金属间的键长从而影响金属与碳原子间的电子转移，赋予其具有与贵金属类似的电子结构和催化性能，同时碳化物中存在的共价碳网络，使其具有较高的熔点和机械强度，以及优于金属的良好导电性和环境耐受性，此外过渡金属的储量丰富，应用成本更低，优异的性能使其在析氢反应中具有广泛的应用前景。
碳化物具有不同的晶体构型，不同的构型往往表现出不同的析氢催化活性。碳化物的d轨道电子通常距离费米能级太近或太远，导致碳化物表面的氢吸附过程，太强或者太弱，影响了催化反应的进行。因此合理设计金属碳化物，优化其表面电子结构，从而实现碳化物表面氢吸脱附的快速进行，对于促进析氢工业的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的之一是设计开发了一种用于析氢反应的金属激活碳化物本征催化性能的催化剂，通过调节不同金属盐与碳化物，制备得到了不同的碳化物负载金属颗粒催化剂。
本发明的目的之一是设计开发了一种用于析氢反应的金属激活碳化物本征催化性能的催化剂及其制备方法，通过调节不同负载量，制备得到了负载不同金属颗粒载量的催化剂。
本发明的目的之一是设计开发了一种用于析氢反应的金属激活碳化物本征催化性能的催化剂及其制备方法，通过调节不同金属负载碳化物，利用二者间的电负性差异，调节碳化物的表面电子结构，从而实现高效析氢催化。
为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种金属激活碳化物本征催化性能的催化剂，该催化剂由金属颗粒与碳化物复合形成。
一种制备上述金属激活碳化物本征催化性能的催化剂的方法，该方法的具体步骤为：
a. 将20mmol有机化合物溶于150ml无水乙醇中，搅拌分散均匀，将2mmol金属前驱体加入上述溶液，待上述混合物分散均匀后，采用60℃水浴蒸干，随后进行60℃干燥6h处理，将干燥得到的固体研磨至粉末状态，采用管式炉对上述粉末样品进行高温热处理，氮气氛围下，在600℃保温2h，800℃保温3h，制备得到的样品记为A；
b. 将金属前驱体溶于40ml乙二醇中，搅拌分散均匀，加入氢氧化钠调节pH至10，待上述混合物分散均匀后，加热至溶液沸腾，随后停止加热，冷却至室温，得到的样品记为B；
c. 称取40mg样品A加入40ml乙二醇中，超声分散均匀，随后加入样品B，超声搅拌分散均匀，随后抽滤洗涤三次，烘干后得到碳化物负载金属颗粒催化剂。
本发明提供了上述碳化物负载金属颗粒催化剂在电催化析氢方面的应用，该催化剂用于电催化析氢反应，具有高的催化性能和贵金属利用效率，有效提高了碳化物的本征催化活性。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的金属激活碳化物本征催化性能的催化剂的制备方法包括将金属盐和有机化合物在液相中混合均匀，蒸干得到固体，研磨后经过高温热解处理，通过控制金属盐和热解温度制备得到不同的碳化物。
(2)本发明制备得到的碳化物是氮掺杂的，氮掺杂能够为碳化物提供更多的电子，实现电子从氮到碳化物的转移，在碳化物的金属原子上发生电荷积累，从而优化碳化物中金属原子的电子结构，优化催化性能。
(3)本发明制备得到的金属激活碳化物本征催化性能的催化剂，具有较高催化活性，能够有效提高负载贵金属的利用率，降低实际应用成本。
附图说明
图1本发明实施例1所制备氮掺杂碳化钼负载铂颗粒催化剂的TEM电镜图；
图2本发明实施例1所制备氮掺杂碳化钼负载铂颗粒催化剂的XRD图；
图3本发明实施例1所制备氮掺杂碳化钼负载铂颗粒催化剂的HER性能图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明，使本发明的内容更容易被清楚理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
实施例1：
一种氮掺杂碳化钼负载铂颗粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取2.018g三聚氰胺溶于150ml无水乙醇中，形成溶液A；
(2)称取0.546g无水氯化钼，加入上述溶液A中，混合溶液记为A’；
(3)将A’溶液超声15分钟，搅拌6h，使其分散混合均匀，分散均匀后的溶液记为A”；
(4)将A”水浴60℃加热3h蒸干，得到混合固体，记为B；
(5)将B放入烘箱，60℃烘干6h，随后研磨成粉末状态，记为B’；
(6)称取500mg B’放置于瓷舟中，利用管式炉，在惰性气氛下，600℃热处理2h，800℃热处理3h，得到的黑色粉末记为C；
(7)称取1.33mg氯铂酸，溶于40ml乙二醇，混合溶液记为D；
(8)将D液超声15分钟，随后加入40mg氢氧化钠调节pH至10，超声搅拌使其分散混合均匀，分散均匀后的溶液记为D’；
(9)将D’微波加热至沸腾，随后冷却至室温，记为D”；
(10)称取40mg C，加入40ml乙二醇分散均匀，记为C’；
(11)将D”与C’混合，超声搅拌分散均匀，随后抽滤洗涤，烘干后得到最终产物氮掺杂碳化钼负载铂颗粒催化剂1%Pt/N-MoC。
氮掺杂能够为碳化物提供更多的电子提高催化过程的电子传输，同时作为位点分散负载的金属。而在MoC表面负载金属Pt，利用两者之间电负性差异，调节碳化物本身电子结构，从而优化析氢催化性能。
对比例1
采用实施例1相同的方法，在碳粉表面制备得到了Pt/C作为对比例。具体方案如下：
（1）称取40mg碳粉，加入40ml乙二醇分散均匀，记为E；
（2）称取1.33mg氯铂酸，溶于40ml乙二醇，混合溶液记为F；
（3）将F液超声15分钟，随后加入40mg氢氧化钠调节pH至10，超声搅拌使其分散混合均匀，分散均匀后的溶液记为F’；
（4）将F’ 微波加热至沸腾，随后冷却至室温，记为F”；
将F”与E混合，超声搅拌分散均匀，随后抽滤洗涤，烘干后得到1%Pt/C。
图1为本发明实施例1所制备氮掺杂碳化钼负载铂颗粒催化剂的TEM电镜图，从图中可以看到Pt颗粒在氮掺杂碳化钼表面负载均匀。
图2为本发明实施例1所制备氮掺杂碳化钼负载铂颗粒催化剂的XRD图。
图3为本发明实施例1所制备氮掺杂碳化钼负载铂颗粒催化剂在酸性条件下的HER性能图，从图中可以看出，初始N-MoC表现出较差催化性能，过电势为210mV，负载Pt颗粒之后，1%Pt/N-MoC催化性能明显提升，过电势仅为14mV，优于对比例1%Pt/C的94mV。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种碳化物负载金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在惰性气体氛围下，高温热处理金属前驱体和有机化合物的混合物制备得到金属碳化物，随后在金属碳化物表面负载金属颗粒制备得到碳化物负载金属催化剂；
所述有机化合物包括：三聚氰胺，双氰胺，单氰胺，尿素；
所述的碳化物负载金属催化剂的制备方法，包括以下具体步骤：
a. 将20mmol有机化合物溶于150ml无水乙醇中，搅拌分散均匀，将2mmol金属前驱体无水氯化钼加入上述溶液，待上述混合物分散均匀后，采用60℃水浴蒸干，随后进行60℃干燥6h处理，将干燥得到的固体研磨至粉末状态，采用管式炉对上述粉末样品进行高温热处理，氮气氛围下，在600℃保温2h，800℃保温3h，制备得到的样品记为A；
b. 将金属前驱体氯铂酸溶于40ml乙二醇中，搅拌分散均匀，加入氢氧化钠调节pH至10，待上述混合物分散均匀后，加热至溶液沸腾，随后停止加热，冷却至室温，得到的样品记为B；
c. 称取40mg样品A加入40ml乙二醇中，超声分散均匀，随后加入样品B，超声搅拌分散均匀，随后抽滤洗涤三次，烘干后得到碳化物负载金属颗粒催化剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，有机化合物与金属前驱体的摩尔质量比值为1:1-10:1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，负载金属的质量分数为0.1-50wt%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法制得的碳化物负载金属催化剂。
5.根据权利要求4所述的碳化物负载金属催化剂在电催化析氢反应中的应用。
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