CN116876029A - 一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN116876029A
CN116876029A CN202310819082.1A CN202310819082A CN116876029A CN 116876029 A CN116876029 A CN 116876029A CN 202310819082 A CN202310819082 A CN 202310819082A CN 116876029 A CN116876029 A CN 116876029A
Authority
CN
China
Prior art keywords
catalytic material
cathode catalytic
metal nanowire
electrolyzed water
solvent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310819082.1A
Other languages
English (en)
Inventor
请求不公布姓名
许帅
周振声
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Juna New Material Technology Co ltd
Original Assignee
Shanghai Juna New Material Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Juna New Material Technology Co ltd filed Critical Shanghai Juna New Material Technology Co ltd
Priority to CN202310819082.1A priority Critical patent/CN116876029A/zh
Publication of CN116876029A publication Critical patent/CN116876029A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C25B11/093—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds at least one noble metal or noble metal oxide and at least one non-noble metal oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用，该电解水制氢阴极催化材料包括金属纳米线及负载于金属纳米线上的石墨烯，金属纳米线为铂镍金属纳米线。本发明通过制备铂镍基金属纳米线，并将其与全氟磺酸聚合物溶液混合，得到电解水制氢阴极催化材料，铂镍基金属纳米线具有高质量比活性和高面积比活性，对电解水制氢的阴极反应表现出优异的催化活性，能够在保证质子交换膜电解水制氢效率的同时，降低铂在阴极催化剂中的含量，以降低贵金属材料的用量，提高了经济性。

Description

一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着化石燃料的日益消耗以及由此带来的环境问题，人们越发关注开发和利用可持续、可再生的清洁能源。氢能因其具有环境友好性、高能量密度、零碳排放和可循环利用的特点，被认为是一种非常有潜力的清洁能源。氢能是一种二次能源，通过电解水制氢是一种制备高纯度氢气以及氧气的绿色方法。
目前电解水制氢技术中，碱性电解水制氢(AWE)和质子交换膜电解水制氢(PEMWE)已逐步产业化，而高温固态氧化物制氢(SOEC)和碱性阴离子交换膜制氢(AEMWE)还处于试验产品阶段。其中，碱性电解水制氢(AWE)技术较为成熟，生产成本较低，但其存在制氢纯度相对较低，需二次提纯、制氢效率低、热启动时间长等缺点；质子交换膜电解水制氢(PEMWE)技术流程简单，能效较高，但因使用贵金属材料作为电催化剂，成本过高。
PEM电解水制氢技术相较于AWE电解水制氢技术，其优势在于，PEM电解水制氢工作电流密度更高(＞1A/cm2)，总体效率更高(74％～87％)，氢气体积分数更高(>99.99％)，产气压力更高(3～4MPa)，PEM使用质子交换膜替代了碱性电解槽使用的隔膜和液态电解质，具有快速响应的特性，能够适应可再生能源的波动，满足特定的应用场景(如：作为车规级氢能)，符合能源转型的发展趋势。同时PEM使用纯水作为电解水制氢原料，避免了潜在的碱液污染及腐蚀问题，且质子交换膜作为固体电解质，可有效防止电子转移，提高了电解槽的使用寿命和安全性。
PEM电解槽的缺点是需要在高酸性、高电势以及不利的氧化环境中工作，价格昂贵的金属材料(如：铂、铱)能够为电解槽组件提供高稳定性和良好的传到能力，因此PEM中使用的析氢、析氧电催化剂基本都选用贵金属材料。所以，降低催化剂与电解槽的材料成本，特别是阴、阳极电催化剂的贵金属载量，提高电解槽的效率和寿命，是PEM电解水制氢技术发展的研究重点。
发明内容
针对现有技术中PEM电解水制氢使用贵金属材料制备膜电极的阴极催化材料导致成本过高的问题，本发明的目的在于提供一种用于膜电极的阴极催化材料及其制备方法与应用，采用非贵金属材料部分代替贵金属材料的策略，降低贵金属材料的含量，进而降低质子交换膜电解水制氢的成本，同时保证质子交换膜电解水制氢的效率和电解槽的使用寿命。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用的技术方案如下：
第一个方面，本申请提供一种电解水阴极催化材料，所述电解水阴极催化材料包括金属纳米线及负载于所述金属纳米线上的石墨烯，所述金属纳米线为铂镍金属纳米线。
在本申请的一些实施例中，所述金属纳米线为铂镍钴金属纳米线。
在本申请的一些实施例中，所述电解水阴极催化材料中掺杂有雷尼镍。
第二个方面，本申请提供一种电解水阴极催化材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，搅拌，得到混合溶液，加热进行反应，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线。
S2、将石墨烯加入有机溶剂中，得到石墨烯分散液，向所述石墨烯分散液中加入得到的金属纳米线，搅拌，经过滤、洗涤，得到载碳金属纳米线；
S3、将得到的载碳金属纳米线与全氟磺酸聚合物溶液加入溶剂中，混合，得到阴极催化材料。
在本申请的一些实施例中，步骤S1中，所述六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂的质量比为4～6：1：3～4。
在本申请的一些实施例中，步骤S1中，所述稳定剂为N，N-二甲基乙酰胺或聚乙烯吡咯烷酮。
在本申请的一些实施例中，步骤S1中，所述溶剂为乙二醇溶液，所述乙二醇溶液包括氢氧化钠或氢氧化钾或二者的组合物。
在本申请的一些实施例中，步骤S1中，所述搅拌的转速为300～500r/min，时间为10～12h。
在本申请的一些实施例中，步骤S1中，所述加热的温度为180～200℃，时间为4～6h。
在本申请的一些实施例中，步骤S1中，还包括将六水合氯铂酸、六水合氯化钴、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，搅拌，得到混合溶液，加热进行反应，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线，其中，所述六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量比为3：1～3。
在本申请的一些实施例中，步骤S2中，所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮或N，N-二甲基乙酰胺。
在本申请的一些实施例中，步骤S2中，所述搅拌的转速为200～300r/min，时间为3～6h。
在本申请的一些实施例中，步骤S3中，所述载碳金属纳米线、全氟磺酸聚合物溶液与溶剂的质量比为10～20：5～10：70～85。
在本申请的一些实施例中，步骤S3中，所述全氟磺酸聚合物溶液的干重为8wt％～12wt％。
在本申请的一些实施例中，步骤S3中，所述溶剂为异丙醇。
本申请中，采取超声振动的方式混合载碳金属纳米线与全氟磺酸聚合物溶液及溶剂，且超声振动分散的频率为60～100kHz，超声振动分散的时间为0.5～1h。
在本申请的一些实施例中，步骤S3中，还包括将得到的载碳金属纳米线、雷尼镍与全氟磺酸聚合物溶液加入溶剂中，混合，得到阴极催化材料，其中，所述载碳金属纳米线、雷尼镍、全氟磺酸溶液与溶剂的质量比为10～20：5～10：3～8：62～82。
第三个方面，本申请提供一种电解水制氢的膜电极，所述膜电极包括阴极催化层，所述阴极催化层包括如上所述的电解水阴极催化材料或根据如上所述的制备方法制得的电解水阴极催化材料。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过制备铂镍基金属纳米线，并将其与全氟磺酸聚合物溶液混合，得到电解水制氢阴极催化材料，铂镍基金属纳米线具有高质量比活性和高面积比活性，对电解水制氢的阴极反应表现出优异的催化活性，能够在保证质子交换膜电解水制氢效率的同时，降低铂在阴极催化剂中的含量，以降低贵金属材料的用量，提高了经济性。
(2)本发明中，通过向铂镍基金属纳米线中加入过渡金属钴，得到铂镍钴金属纳米线，能够抑制铂镍基金属纳米线在质子交换膜电解水制氢环境中镍的溶出，增强了铂镍基金属纳米线的稳定性。
(3)本发明中，通过向阴极催化材料中掺杂雷尼镍，增加了阴极催化材料中的活性位点，能够进一步提高阴极催化材料的催化活性，进而提高电解水制氢的效率。
(4)本发明中，通过对阴极催化材料中离子聚合物(即全氟磺酸)的固含量及其与金属纳米线和溶剂的比例进行合理设置与进一步优化，并通过充分混合，分散均匀，使制得的阴极催化材料不易团聚，具有良好的稳定性。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本申请提供一种电解水阴极催化材料，该电解水阴极催化材料包括金属纳米线及负载于金属纳米线上的石墨烯，金属纳米线为铂镍金属纳米线。
在本申请的一些实施例中，金属纳米线为铂镍钴金属纳米线。
在本申请的一些实施例中，电解水阴极催化材料中掺杂有雷尼镍。
在本申请的一些实施例中，本发明提供一种如上所述的电解水阴极催化材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1、按照六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂的质量比为4～6：1：3～4将六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，以300～500r/min的转速搅拌10～12h，得到混合溶液，加热至180～200℃进行反应4～6h，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线；
其中，稳定剂为N，N-二甲基乙酰胺或聚乙烯吡咯烷酮；溶剂为乙二醇溶液，乙二醇溶液包括氢氧化钠或氢氧化钾或二者的组合物。
S2、将石墨烯加入有机溶剂中，得到石墨烯分散液，向石墨烯分散液中加入得到的金属纳米线，以200～300r/min的转速搅拌3～6h，经过滤、洗涤，得到载碳金属纳米线；
其中，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮或N，N-二甲基乙酰胺。
S3、按照载碳金属纳米线、全氟磺酸聚合物溶液与异丙醇的质量比为10～20：5～10：70～85将得到的载碳金属纳米线与干重为8wt％～12wt％的全氟磺酸聚合物溶液加入异丙醇中，以60～100kHz的频率超声振动分散0.5～1h，得到阴极催化材料。
在本申请的一些实施例中，步骤S1中，还包括按照六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量之和与乙酰丙酮镍、稳定剂的质量比为4～6：1：3～4将六水合氯铂酸、六水合氯化钴、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，以300～500r/min的转速搅拌10～12h，得到混合溶液，加热至180～200℃进行反应4～6h，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线，其中，六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量比为3：1～3。
在本申请的一些实施例中，步骤S3中，还包括按照载碳金属纳米线、雷尼镍、全氟磺酸溶液与溶剂的质量比为10～20：5～10：3～8：62～82将得到的载碳金属纳米线、雷尼镍与全氟磺酸聚合物溶液加入溶剂中，混合，得到阴极催化材料。
在本申请的一些实施例中，本申请提供一种电解水制氢的膜电极，膜电极包括阴极催化层，阴极催化层包括如上所述的电解水阴极催化材料或根据如上所述的制备方法制得的电解水阴极催化材料。
下面通过具体的例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行具体的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
对于阴极催化材料，离子聚合物与催化剂载体之间的质量比对催化剂的性能有着较影响，离子聚合物的比例过高，会导致离子聚合物对催化剂本身和催化剂上的活性位点的覆盖，导致电子无法传递到催化剂或者导致电阻增加，从而导致催化剂催化活性减小甚至完全失去作用；而离子聚合物的比例过低则会导致质子在催化层中的传递的阻力增大，导致催化层活性的降低。
此外，离子聚合物的浓度和分散方式也会影响到离子聚合物在溶剂中的形态和分散状态及团聚尺寸，最终会影响浆料的涂布，从而影响整个质子交换膜电解水系统电解水制氢的效率。
本发明中，将阴极催化材料用于制备质子交换膜电解水制氢的膜电极，该膜电极包括由内向外依次包括质子交换膜、催化层和扩散层，催化层包括阴极催化层和阳极催化层，其中，质子交换膜采用全氟磺酸质子交换膜(即Nafion膜)，具体的制备方法如下：
将均匀的阴极催化剂材料超声喷涂于经预处理后的全氟磺酸质子交换膜的第一侧，对经过超声喷涂的全氟磺酸质子交换膜于120～150℃固化1.5～2h，再将碳毡于100～120℃以40～60kPa热压于全氟磺酸质子交换膜的第一侧，在全氟磺酸质子交换膜的第二侧超声喷涂阳极催化材料并固化，进一步热压钛毡于全氟磺酸质子交换膜的第二侧，得到膜电极。
本发明提供一种电解水制氢系统，该电解水制氢系统包括如上所述的膜电极。
本发明中，在制备用于电解水制氢系统的膜电极时，对全氟磺酸质子交换膜进行预处理，包括以下步骤：将全氟磺酸质子交换膜首先经质量浓度为5％的H2O2水溶液于80℃下热处理0.5h，用去离子水冲洗；再经1mol·L-1硫酸水溶液于80℃下热处理0.5h，用去离子水冲洗；最后经去离子水于60～80℃下热处理0.5h。
本发明中，对制得的膜电极进行性能测试，测试方法如下：将膜电极应用于电解水制氢系统进行电解水制氢，电压为1.8V，温度为70℃，水流量为10mL·min-1。将初始电解时产生的电流密度记为电流密度A，将电解4h时产生的电流密度记为电流密度B，将电解8h时产生的电流密度记为电流密度C。
实施例1
本实施例提供一种电解水阴极催化材料，该电解水阴极催化材料包括金属纳米线及负载于金属纳米线上的石墨烯，金属纳米线为铂镍金属纳米线。
本实施例还提供一种电解水阴极催化材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂的质量比为4：1：3将六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，以300r/min的转速搅拌12h，得到混合溶液，加热至180℃进行反应6h，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线；
S2、将石墨烯加入有机溶剂中，得到石墨烯分散液，向石墨烯分散液中加入得到的金属纳米线，以200r/min的转速搅拌6h，经过滤、洗涤，得到载碳金属纳米线；
S3、按照载碳金属纳米线、全氟磺酸聚合物溶液与异丙醇的质量比为20：10：70将得到的载碳金属纳米线与干重为8wt％的全氟磺酸聚合物溶液加入异丙醇中，以60kHz的频率超声振动分散1h，得到阴极催化材料。
对制备得到的阴极催化材料制成的膜电极进行性能测试。
实施例2
本实施例提供一种电解水阴极催化材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂的质量比为5：1：3.5将六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，以400r/min的转速搅拌11h，得到混合溶液，加热至190℃进行反应5h，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线；
S2、将石墨烯加入有机溶剂中，得到石墨烯分散液，向石墨烯分散液中加入得到的金属纳米线，以250r/min的转速搅拌4.5h，经过滤、洗涤，得到载碳金属纳米线；
S3、按照载碳金属纳米线、全氟磺酸聚合物溶液与异丙醇的质量比为15：8：77将得到的载碳金属纳米线与干重为10wt％的全氟磺酸聚合物溶液加入异丙醇中，以80kHz的频率超声振动分散0.8h，得到阴极催化材料。
对制备得到的阴极催化材料制成的膜电极进行性能测试。
实施例3
本实施例提供一种电解水阴极催化材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂的质量比为6：1：4将六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，以500r/min的转速搅拌12h，得到混合溶液，加热至200℃进行反应6h，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线；
S2、将石墨烯加入有机溶剂中，得到石墨烯分散液，向石墨烯分散液中加入得到的金属纳米线，以300r/min的转速搅拌6h，经过滤、洗涤，得到载碳金属纳米线；
S3、按照载碳金属纳米线、全氟磺酸聚合物溶液与异丙醇的质量比为10：5：85将得到的载碳金属纳米线与干重为12wt％的全氟磺酸聚合物溶液加入异丙醇中，以100kHz的频率超声振动分散0.5h，得到阴极催化材料。
对制备得到的阴极催化材料制成的膜电极进行性能测试。
实施例4
本实施例提供一种电解水阴极催化材料，该电解水阴极催化材料与实施例1中电解水阴极催化材料的不同之处在于：金属纳米线为铂镍钴金属纳米线。
本实施例还提供一种电解水阴极催化材料的制备方法，该制备方法与实施例1中制备方法的不同之处在于：
S1、按照六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量之和与乙酰丙酮镍、稳定剂的质量比为4：1：3将六水合氯铂酸、六水合氯化钴、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，其中，六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量比为3：1，以350r/min的转速搅拌12h，得到混合溶液，加热至185℃进行反应6h，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线。
对制备得到的阴极催化材料制成的膜电极进行性能测试。
实施例5
本实施例提供一种电解水阴极催化材料，该电解水阴极催化材料与实施例1中电解水阴极催化材料的不同之处在于：金属纳米线为铂镍钴金属纳米线。
本实施例还提供一种电解水阴极催化材料的制备方法，该制备方法与实施例1中制备方法的不同之处在于：
S1、按照六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量之和与乙酰丙酮镍、稳定剂的质量比为6：1：4将六水合氯铂酸、六水合氯化钴、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，其中，六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量比为1：1，以450r/min的转速搅拌10h，得到混合溶液，加热至195℃进行反应4h，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线。
对制备得到的阴极催化材料制成的膜电极进行性能测试。
实施例6
本实施例提供一种电解水阴极催化材料，该电解水阴极催化材料与实施例1中电解水阴极催化材料的不同之处在于：电解水阴极催化材料中掺杂有雷尼镍。
本实施例还提供一种电解水阴极催化材料的制备方法，该制备方法与实施例1中制备方法的不同之处在于：
S3、按照载碳金属纳米线、雷尼镍、全氟磺酸溶液与溶剂的质量比为18：9：3：70将得到的载碳金属纳米线、雷尼镍与全氟磺酸聚合物溶液加入溶剂中，混合，得到阴极催化材料。
对制备得到的阴极催化材料制成的膜电极进行性能测试。
实施例7
本实施例提供一种电解水阴极催化材料，该电解水阴极催化材料与实施例1中电解水阴极催化材料的不同之处在于：电解水阴极催化材料中掺杂有雷尼镍。
本实施例还提供一种电解水阴极催化材料的制备方法，该制备方法与实施例1中制备方法的不同之处在于：
S3、按照载碳金属纳米线、雷尼镍、全氟磺酸溶液与溶剂的质量比为12：7：8：73将得到的载碳金属纳米线、雷尼镍与全氟磺酸聚合物溶液加入溶剂中，混合，得到阴极催化材料。
对制备得到的阴极催化材料制成的膜电极进行性能测试。
实施例8
本实施例提供一种电解水阴极催化材料，该电解水阴极催化材料与实施例1中电解水阴极催化材料的不同之处在于：金属纳米线为铂镍钴金属纳米线；电解水阴极催化材料中掺杂有雷尼镍。
本实施例还提供一种电解水阴极催化材料的制备方法，该制备方法与实施例1中制备方法的不同之处在于：
S1、按照六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量之和与乙酰丙酮镍、稳定剂的质量比为5：1：3.5将六水合氯铂酸、六水合氯化钴、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，其中，六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量比为3：2，以400r/min的转速搅拌11h，得到混合溶液，加热至190℃进行反应5h，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线。
S3、按照载碳金属纳米线、雷尼镍、全氟磺酸溶液与溶剂的质量比为15：8：5：72将得到的载碳金属纳米线、雷尼镍与全氟磺酸聚合物溶液加入溶剂中，混合，得到阴极催化材料。
对制备得到的阴极催化材料制成的膜电极进行性能测试。
对比例1
本对比例提供一种催化材料，该催化材料的制备方法与实施例1中阴极催化材料的制备方法的不同之处在于：全氟磺酸溶液的干重及质量比均低于实施例1，具体步骤如下：
S3、按照载碳金属纳米线、全氟磺酸聚合物溶液与异丙醇的质量比为20：3：77将得到的载碳金属纳米线与干重为5wt％的全氟磺酸聚合物溶液加入异丙醇中，以60kHz的频率超声振动分散1h，得到阴极催化材料。
其余步骤与实施例1相同。
对制备得到的催化材料制成的膜电极进行性能测试。
将实施例1～8及对比例1的性能测试的测试结果计入表1。
表1实施例1～8及对比例1的性能测试结果
来源 电流密度A/mA·cm-2 电流密度B/mA·cm-2 电流密度C/mA·cm-2
实施例1 1389 1271 1143
实施例2 1385 1304 1153
实施例3 1359 1226 1102
实施例4 1461 1420 1387
实施例5 1473 1425 1397
实施例6 1526 1413 1285
实施例7 1507 1424 1291
实施例8 1629 1593 1554
对比例1 1319 1132 937
由表1分析实施例1～3测试结果的电流密度A、电流密度B及电流密度C可知，实施例1～3制备得到的阴极催化材料制成的膜电极用于电解水制氢系统，其初始电解时电流密度A、经过4h的电解水制氢后的电流密度B及经过8h的电解水制氢后的电流密度C均达到1100mA·cm-2以上。该结果表明，本发明制备的阴极催化材料制成的膜电极用于电解水制氢性能优异，具有高催化活性，降低了铂在阴极催化材料中的含量，同时保证了质子交换膜电解水制氢的效率。
由表1分析实施例1、4～5、8测试结果的电流密度A、电流密度B及电流密度C可知，实施例4～5制备得到的阴极催化材料制成的膜电极用于电解水制氢系统，其初始电解时电流密度A、经过4h的电解水制氢后的电流密度B及经过8h的电解水制氢后的电流密度C均达到1350mA·cm-2以上，实施例8制备得到的阴极催化材料制成的膜电极用于电解水制氢系统，其初始电解时电流密度A、经过4h的电解水制氢后的电流密度B及经过8h的电解水制氢后的电流密度C均达到1550mA·cm-2以上，且实施例4～5、8中电流密度A、电流密度B及电流密度C之间均无明显较大差异，而实施例1中电流密度A、电流密度B及电流密度C之间差异较明显。该结果表明，本发明通过向铂镍基金属纳米线中加入过渡金属钴，得到铂镍钴金属纳米线，能够抑制铂镍基金属纳米线在质子交换膜电解水制氢环境中镍的溶出，进而增强了铂镍基金属纳米线的稳定性，以保证阴极催化材料所制得膜电极的工作效率。
由表1分析实施例1、6～8测试结果的电流密度A可知，实施例6～8制备得到的阴极催化材料制成的膜电极用于电解水制氢系统，实施例6～7制备得到的阴极催化材料制成的膜电极用于电解水制氢系统，其初始电解时电流密度A达到1500mA·cm-2以上，实施例8制备得到的阴极催化材料制成的膜电极用于电解水制氢系统，其初始电解时电流密度A达到1600mA·cm-2以上，明显高于实施例1。该结果表明，本发明通过向阴极催化材料中掺杂雷尼镍，增加了阴极催化材料中的活性位点，能够进一步提高阴极催化材料的催化活性，进而提高电解水制氢的效率。
由表1分析实施例1及对比例1测试结果的电流密度A、电流密度B及电流密度C可知，对比例1制备得到的催化材料制成的膜电极用于电解水制氢系统，其初始电解时电流密度A为1319mA·cm-2，经过4h的电解水制氢后的电流密度B为1132mA·cm-2，经过8h的电解水制氢后的电流密度C为937mA·cm-2，即与实施例1相比，对比例1的催化材料制成的膜电极电解水制氢的电流密度显著下降，且电流密度B相较于电流密度A、电流密度C相较于电流密度B均显著下降。该结果表明，本发明中通过对阴极催化材料中离子聚合物(即全氟磺酸)的固含量及其与金属纳米线和溶剂的比例进行合理设置与进一步优化，使制得的阴极催化材料不易团聚，具有良好的稳定性，以保证其制得的膜电极的使用寿命，并长时间维持在高水平的工作效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电解水阴极催化材料，其特征在于：所述电解水阴极催化材料包括金属纳米线及负载于所述金属纳米线上的石墨烯，所述金属纳米线为铂镍金属纳米线。
2.根据权利要求1所述的电解水阴极催化材料，其特征在于：所述金属纳米线为铂镍钴金属纳米线。
3.根据权利要求1所述的电解水阴极催化材料，其特征在于：所述电解水阴极催化材料中掺杂有雷尼镍。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的电解水阴极催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，搅拌，得到混合溶液，加热进行反应，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线。
S2、将石墨烯加入有机溶剂中，得到石墨烯分散液，向所述石墨烯分散液中加入得到的金属纳米线，搅拌，经过滤、洗涤，得到载碳金属纳米线；
S3、将得到的载碳金属纳米线与全氟磺酸聚合物溶液加入溶剂中，混合，得到阴极催化材料。
5.根据权利要求4所述的电解水阴极催化材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述六水合氯铂酸、乙酰丙酮镍与稳定剂的质量比为4～6：1：3～4；
和/或，步骤S1中，所述稳定剂为N，N-二甲基乙酰胺或聚乙烯吡咯烷酮；
和/或，步骤S1中，所述溶剂为乙二醇溶液，所述乙二醇溶液包括氢氧化钠或氢氧化钾或二者的组合物；
和/或，步骤S1中，所述搅拌的转速为300～500r/min，时间为10～12h；
和/或，步骤S1中，所述加热的温度为180～200℃，时间为4～6h。
6.根据权利要求4所述的电解水阴极催化材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，还包括将六水合氯铂酸、六水合氯化钴、乙酰丙酮镍与稳定剂加入溶剂中，搅拌，得到混合溶液，加热进行反应，反应结束后，经冷却、离心、洗涤，得到金属纳米线，其中，所述六水合氯铂酸与六水合氯化钴的质量比为3：1～3。
7.根据权利要求4所述的电解水阴极催化材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮或N，N-二甲基乙酰胺；
和/或，步骤S2中，所述搅拌的转速为200～300r/min，时间为3～6h。
8.根据权利要求4所述的电解水阴极催化材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述载碳金属纳米线、全氟磺酸聚合物溶液与溶剂的质量比为10～20：5～10：70～85；
和/或，步骤S3中，所述全氟磺酸聚合物溶液的干重为8wt％～12wt％；
和/或，步骤S3中，所述溶剂为异丙醇。
9.根据权利要求4所述的电解水阴极催化材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，还包括将得到的载碳金属纳米线、雷尼镍与全氟磺酸聚合物溶液加入溶剂中，混合，得到阴极催化材料，其中，所述载碳金属纳米线、雷尼镍、全氟磺酸溶液与溶剂的质量比为10～20：5～10：3～8：62～82。
10.一种电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述膜电极包括阴极催化层，所述阴极催化层包括如权利要求1～3任一项所述的电解水阴极催化材料或根据权利要求4～9任一项所述的制备方法制得的电解水阴极催化材料。
CN202310819082.1A 2023-07-05 2023-07-05 一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用 Pending CN116876029A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310819082.1A CN116876029A (zh) 2023-07-05 2023-07-05 一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310819082.1A CN116876029A (zh) 2023-07-05 2023-07-05 一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116876029A true CN116876029A (zh) 2023-10-13

Family

ID=88265520

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310819082.1A Pending CN116876029A (zh) 2023-07-05 2023-07-05 一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116876029A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111900420A (zh) 一种阳极催化剂浆料、阳极催化剂层、膜电极及燃料电池
CN108579818B (zh) 固体聚合物电解质水电解膜电极催化剂浆料的制备方法
CN113871640B (zh) 一种燃料电池抗反极催化剂及其制备方法和应用
CN103394350A (zh) 一种钛钨氧化物包覆碳纳米管载铂电催化剂的制备方法
CN108315761A (zh) 一种电解水制氢用二硫化三镍-镍电极材料的制备方法
CN115064710B (zh) 膜电极ccm及其制备方法、以及膜电极组件mea、燃料电池
CN110931815B (zh) 一种燃料电池炭载铂基催化剂的制备方法
CN113611874A (zh) 复合碳载体合金催化剂及其制备方法与应用
CN114540854A (zh) 一种spewe膜电极及其制备方法
CN113652699B (zh) 一种提高石墨烯电催化制氢活性的方法
CN113937328A (zh) 一种降低催化层金属离子污染的膜电极
Zhao et al. Enhanced CO 2 reduction with hydrophobic cationic-ionomer layer-modified zero-gap MEA in acidic electrolyte
CN113443610A (zh) 一种硒化钌纳米球电催化剂及其制备方法和应用
CN109585857B (zh) 一种燃料电池用氮掺杂碳载铂基催化剂的制备方法
CN113215616B (zh) 一种IrCoFe@MXene复合催化剂及其制备方法和应用
CN114774987B (zh) 一种铁基双极膜及其制备方法和应用
CN116876029A (zh) 一种电解水制氢阴极催化材料及其制备方法与应用
CN109569682B (zh) 一种SPE电解池用氮掺杂石墨烯载Ir-Ru催化剂的制备方法
CN112850860B (zh) 一种氮掺杂有序介孔碳电极的制备方法及应用
CN114807974A (zh) 一种静电纺丝法制备pem电解水制氢用膜电极的方法
CN109950558A (zh) 一种高效稳定的双功能催化剂的制备方法及其应用
CN104916851B (zh) 一种催化层的制备方法
CN108075141A (zh) 直接制备质子交换膜燃料电池用铂单原子层催化层的方法
CN113809375B (zh) 一种应用于电催化氧还原合成过氧化氢的固体电解质及其制备方法
CN114481189B (zh) 一种ccm膜电极及其制备方法以及其在电催化硝酸根还原制备氨中的应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination