CN115058736A - 一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法 - Google Patents

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代闯
刘晓媛
亓同晗
王林林
王晨溪
王佳伟
门昕玥
张贞洋
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Abstract

本发明提供一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法，具体步骤如下，步骤一：hummer法制备氧化石墨烯；步骤二：尿素、乙二胺和过渡金属盐的混合干燥和熔融；步骤三：熔融冷却后的混合物进行高温分解制备异质结构；该过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法设计合理，通过简单的熔融和高温分解的方法可控的构筑异质结构材料，此材料在碱性条件下，表现出优异的电催化产氢性能，方法简单，易于操作，可进行规模化的工业生产，所制备出的催化剂活性高、稳定性好，电催化性能优，具有很高的经济效益。

Description

一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法
技术领域
本发明属于电催化产氢催化剂制备技术领域，特别涉及一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法。
背景技术
能源和环境是人类社会可持续发展涉及的最主要问题。全球80％的能量需求来源于化石燃料，这最终必将导致化石燃料的枯竭，而其使用也将导致严重的环境污染。从化石燃料逐步转向可持续发展无污染的非化石能源是发展的必然趋势。氢是理想的清洁能源之一，也是重要的化工原料，受到世界各国广泛的重视。电解水制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段。电解水包括氢气析出反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)以及氧气析出反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)两个反应过程。开发廉价、高效、稳定的电催化剂是电解水制氢走向更广泛工业化应用的重要保障，也是广大科研工作者的需要攻克的目标。尽管贵金属电催化剂Pt、IrOx、RuOx的电催化活性很高，但其差的稳定性及高的成本，阻碍了其在工业生产的实际应用。很多高效的HER催化剂(包括：合金材料、过渡金属硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、磷化物、硫化物以及单原子催化剂等被开发出来。虽然大量的HER电催化剂已被报道，但是，这些催化剂仍存在活性和稳定性较差的问题，与商业Pt/C催化剂仍有一定差距。因此，对于未来的大规模生产，必须开发出地球富含的非贵金属基的低成本，高效且耐用的电催化剂。
目前报道的工作表明：界面工程已经成为改善电催化活性，选择性和稳定性的最有效方法之一。然而，传统构筑异质界面采用外延生长方法，构建过程中，需要精确控制衬底的晶体面和外延界面，此过程工序繁杂，产量低，阻碍了其在工业生产中的发展。因此，借助界面工程来构筑具有丰富界面的异质结构电催化剂仍然是一个大的挑战，为此，本发明提出一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法，该过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法设计合理，通过简单的熔融和高温分解的方法可控的构筑异质结构材料，此材料在碱性条件下，表现出优异的电催化产氢性能，方法简单，易于操作，可进行规模化的工业生产，所制备出的催化剂活性高、稳定性好，电催化性能优，具有很高的经济效益。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法，包括以下步骤：
步骤一：hummer法制备氧化石墨烯；
步骤二：尿素、乙二胺和过渡金属盐的混合干燥和熔融；
步骤三：熔融冷却后的混合物进行高温分解制备异质结构。
进一步的，所述步骤一具体如下：
①：1000ml的烧杯中一定量的98％H2SO4,然后加入石墨，在加入一定量的K4MnO4冰盐浴搅拌，然后室温搅拌；
②：将产物冷冻干燥后，以一定浓度分散于水中，超声，冷冻干燥，即得氧化石墨烯；
③：取100-300mg-GO放入50mL的蒸馏水中，超声分散1-3h。
进一步的，所述步骤二具体如下：
①：步骤一所得溶液中加入2-10g尿素和0.5-1.5ml乙二胺，搅拌20min，混合均匀，调节溶液的PH；
②：接着加入200-800mg钨酸铵和100-200mg钼酸铵，接着搅拌30min，随后放入100℃烘箱中烘干；
③：烘干之后，放入170℃油浴中，待样品完全融化后，接着搅拌五分钟，取出冷却。
进一步的，所述步骤三具体如下：将冷却后的混合物按照1-3℃/min升温速率升温至400-600℃进行热处理，得钴氮共掺杂生物质炭，其中热处理气氛为N2。
本发明的有益效果：
1、此过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法通过简单的熔融和高温分解的方法可控的构筑异质结构材料，此材料在碱性条件下，表现出优异的电催化产氢性能。
2、此过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法工艺简单，易于操作，可进行规模化的工业生产，所制备出的催化剂活性高、稳定性好，电催化性能优，具有很高的经济效益。
附图说明
图1为一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法的三维多孔石墨烯的SEM图一；
图2为一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法的三维多孔石墨烯的SEM图二。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法，包括以下步骤：
步骤一：1000ml的烧杯中一定量的98％H2SO4,然后加入石墨，在加入一定量的K4MnO4冰盐浴搅拌，然后室温搅拌；
将产物冷冻干燥后，以一定浓度分散于水中，超声，冷冻干燥，即得氧化石墨烯；
取100mgGO放入50mL的蒸馏水中，超声分散3h；
步骤二：随后加入10g尿素和1ml乙二胺搅拌20min，混合均匀，调节溶液的PH；
接着加入800mg钨酸铵和200mg钼酸铵，接着搅拌30min，随后放入100℃烘箱中烘干；
烘干之后，放入170℃油浴中，待样品完全融化后，接着搅拌五分钟，取出冷却；
步骤三：然后放入管式炉中在氩气氛围下，先以2℃/min升至500℃，500℃维持10min，接着以5℃/min升至800℃，800℃维持120min，最后自然冷却既得。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：hummer法制备氧化石墨烯；
步骤二：尿素、乙二胺和过渡金属盐的混合干燥和熔融；
步骤三：熔融冷却后的混合物进行高温分解制备异质结构。
2.根据权利要求1所述的一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法，其特征在于：所述步骤一具体如下：
①：1000ml的烧杯中一定量的98％H2SO4,然后加入石墨，在加入一定量的K4MnO4冰盐浴搅拌，然后室温搅拌；
②：将产物冷冻干燥后，以一定浓度分散于水中，超声，冷冻干燥，即得氧化石墨烯；
③：取100-300mg-GO放入50mL的蒸馏水中，超声分散1-3h。
3.根据权利要求1所述的一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法，其特征在于：所述步骤二具体如下：
①：步骤一所得溶液中加入2-10g尿素和0.5-1.5ml乙二胺，搅拌20min，混合均匀，调节溶液的PH；
②：接着加入200-800mg钨酸铵和100-200mg钼酸铵，接着搅拌30min，随后放入100℃烘箱中烘干；
③：烘干之后，放入170℃油浴中，待样品完全融化后，接着搅拌五分钟，取出冷却。
4.根据权利要求1所述的一种过渡金属异质结构电催化产氢催化剂制备方法，其特征在于：所述步骤三具体如下：将冷却后的混合物按照1-3℃/min升温速率升温至400-600℃进行热处理，得钴氮共掺杂生物质炭，其中热处理气氛为N2。
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