CN118127554A - 一种碳纤维布负载过渡金属催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维布负载过渡金属催化剂及其制备方法与应用，包括：首先利用水热法在碳纤维布基底生长NiFeCe‑LDH纳米片前驱体；其次利用低温磷化反应制备Fe‑Ni2P/CeO2产物。本发明利用Fe‑Ni2P与CeO2之间的协同和均一的纳米片结构，来调控催化剂的电子结构和暴露丰富的活性位点，实现降低反应能垒的目标。本发明应用于电解水制备氢气过程时，表现出较高的催化活性和循环稳定性，需要施加较低电压1.554V即可实现10mA cm‑2的电流密度。本发明合成过程操作简单、成本较低，可作为高效的电解水制氢催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维布负载过渡金属催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
为解决由常规化石能源过度消耗导致的环境恶化和能源的短缺问题，研究人员致力于开发节能、环保的新型能源技术。利用可再生电力将水电解制取氢气，具有操作简单、清洁、高效等优点，是一种很有前途的制氢方法。水电解过程通常包括阳极的析氧反应和阴极的析氢反应。当前，贵金属钌基和铂基材料与反应中间体具有适中的吸附能，被认为是最有效的析氧和析氢反应催化剂，但其昂贵的价格和稀缺性在很大程度上阻碍了大规模应用。因此，储量丰富的过渡金属基材料被认为是贵金属催化剂的有效替代品。其中，过渡金属磷化物具有类似铂的电子结构和优异的导电性，是一种很有前景的材料。但是目前发展的磷化物因其金属活性位点和反应中间体之间具有高的结合强度使其表现出适中的催化性能，不能满足商业应用。
为了提高磷化物的催化活性，研究人员发展了一些策略，包括合金化、构建异质结构、掺杂金属、非金属杂原子等。这些策略的本质是通过增加催化活性位点的数量和催化位点的活性降低反应中间体的能垒。另一方面，催化剂的电子结构对反应中间体结合能的调控也非常重要，这与其d带中心的位置密切相关。而大部分磷化物由于受限的电子结构而具有缓慢的反应动力学，因此表现出一般的催化活性。最近研究发现价态可变的金属，可以在不同价态之间发生氧化还原变化，为电子的重新分布提供了机会。其中作为重要的稀土氧化物，具有高价态金属的二氧化铈由于具有高储氧能力和优异的电子转移特性，被认为是提高催化剂催化性能最理想的促进剂之一。因此，利用将二氧化铈与磷化物耦合预期有助于提高磷化物的催化性能。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为解决目前电解水制氢技术面临的挑战而提出的一种碳纤维布负载过渡金属催化剂的制备及其在电解水制氢方面的应用，该催化剂具有高的催化活性和稳定性，能够在碱性电解槽中实现高效、稳定的产氢过程。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种碳纤维布负载过渡金属催化剂，所述催化剂以碳纤维布为载体，载体表面生长Fe-Ni2P/CeO2纳米片。
一种碳纤维布负载过渡金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将金属镍盐、铁盐、铈盐、尿素和氟化铵溶解于水中，搅拌均匀后转移至聚四氟乙烯反应釜内衬中；将预处理后的碳纤维布载体加入反应釜内衬中，利用水热合成法制备NiFeCe-LDH前驱体；
步骤2、将NiFeCe-LDH前驱体和次磷酸钠置于管式炉中，在惰性气体保护下以升温速率1-6℃/min升温至目标温度，获得自支撑Fe-Ni2P/CeO2纳米片催化剂。
优选地，在步骤1中，所述镍盐、铁盐和铈盐分别为氯化镍或硝酸镍、氯化铁或硝酸铁和氯化铈或硝酸铈；镍盐与铁盐摩尔量比为1:0.01-1:1，镍盐和铈盐摩尔量比为1:0-1:0.5，反应温度和时间分别为80-150℃和4-10小时。
优选地，在步骤2中，NiFeCe-LDH和次磷酸钠质量比为1:3-1:10，反应温度和时间分别为270-420℃和1-5小时。
本发明还提供了一种Fe-Ni2P/CeO2催化电极在电解水制氢方面的应用，包括电催化析氢反应、析氧反应和全电解水反应；Fe-Ni2P/CeO2直接作为电解槽阳极和阴极的催化电极。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1、本发明制得的Fe-Ni2P/CeO2得益于Fe-Ni2P与CeO2之间的耦合效应、催化剂纳米片特性和自支撑碳纤维布载体，可有效调控催化剂电子结构和暴露丰富的活性位点，最终实现优异的催化性能。
2、本发明制得的Fe-Ni2P/CeO2具有较好的析氢反应、析氧反应和全电解水反应性能，解决了电解过程所需电压高、能源消耗大等问题。
3、本发明合成策略具有操作简单、成本低廉等优点，有望替代贵金属催化剂、加快电解水制氢应用进程。
4、本发明制得的Fe-Ni2P/CeO2应用于电解水制氢过程时，在较低电压1.554V下即可输出10mA cm-2的电流密度，所需电压低于目前发展的大部分过渡金属催化剂，降低了能耗。
附图说明
图1为本发明实施例1中Fe-Ni2P/CeO2产物的XRD谱图和扫描电镜照片；
图2为本发明实施例1中Fe-Ni2P/CeO2产物的析氢反应、塔菲尔斜率和稳定性测试图；
图3为本发明实施例1中Fe-Ni2P/CeO2产物的析氧反应、塔菲尔斜率和稳定性测试图；
图4为本发明实施例1中产物Fe-Ni2P/CeO2在碱性电解槽中的全电解水制氢反应和稳定性测试图。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明实施例中的技术方案，以使本领域中技术人员能更好理解本发明的特征，从而可以更清楚的界定本发明的保护范围。本发明所描述实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所得到的其他实施例，均属于本发明的保护范围。
实施例1
一种碳纤维布负载过渡金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将氯化镍(1.7mmol)、氯化铁(0.2mmol)、硝酸铈(0.2mmol)、尿素(10mmol)和氟化铵(6mmol)溶解于去离子水中(35mL)，搅拌均匀后转移至50mL聚四氟乙烯内衬中，加入碳纤维布载体，密封，在120℃下反应6h，即获得NiFeCe-LDH前驱体。
步骤2、将NiFeCe-LDH和次磷酸钠放入管式炉中，在氮气气氛下，管式炉以升温速率2℃/min升温至300℃，反应2h，合成Fe-Ni2P/CeO2产物。
对上述合成的Fe-Ni2P/CeO2产物在碱性电解池中测试析氢反应、析氧反应和全电解水过程；电解池中的工作电极和对电极分别为Fe-Ni2P/CeO2和碳棒，电解液为1M KOH溶液，电化学测试结果中所使用的电势均已转换为可逆氢电极电势(RHE)。
对上述Fe-Ni2P/CeO2产物进行物相、形貌和催化性能分析。如图1所示，为Fe-Ni2P/CeO2的XRD谱图和扫描电镜照片，图1表明合成的样品为Fe-Ni2P/CeO2，具有均匀的纳米片状结构。
如图2a所示，Fe-Ni2P/CeO2催化剂在碱性体系中表现出了较高的析氢反应活性，仅需要过电势65mV即可实现10mA cm-2的电流密度；如图2b所示，该催化剂的塔菲尔斜率为98mV dec-1，说明具有较快的析氢反应动力学性能；如图2c所示，该催化剂运行10小时后所需电势变化较小，表明具有较好的循环稳定性。
如图3a所示，Fe-Ni2P/CeO2催化剂在碱性电解液中具有较高的析氧反应活性，需要较低过电势222mV即可输出10mA cm-2的电流密度；如图3b所示，该催化剂的塔菲尔斜率为49mV dec-1，说明具有快速的析氧反应动力学性能；如图3c所示，该催化剂在运行10小时后所需电势变化较小，说明具有出色的稳定性。
如图4所示，Fe-Ni2P/CeO2催化剂在两电极碱性电解池中具有优异的全电解水活性和稳定性，输出电流密度10mA cm-2所需电压仅为1.554V，并且可以稳定运行10小时。
实施例2
与实施例1相同，只是改变硝酸铈物质的量为0.1mmol，析氢和析氧反应输出10mAcm-2的电流密度，所需过电势分别为82和264mV。
实施例3
与实施例1相同，只是改变硝酸铈物质的量为0.3mmol，析氢反应和析氧反应输出10mA cm-2的电流密度，所需过电势分别为75和243mV。
实施例4
与实施例1相同，只是改变氯化铁物质的量为0.1mmol，析氢反应和析氧反应输出10mA cm-2的电流密度，所需过电势分别为97和276mV。
实施例5
与实施例1相同，只是改变氯化铁物质的量为0.4mmol，析氢反应和析氧反应输出10mA cm-2的电流密度，所需过电势分别为76和243mV。
综上，本发明利用水热与磷化反应制备了一种碳纤维布负载过渡金属催化剂，该催化剂形貌为相对均匀的纳米片，该结构具有丰富的活性位点和物质传输通道，在碱性电解液中表现出优秀的电催化性能，助力实现高效节能的制氢过程。
本发明中披露的说明和实践，对于本领域的技术人员来说，都是易于思考和理解的，在不脱离本发明原理前提下，还可进行若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改，都应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种碳纤维布负载过渡金属催化剂，其特征在于：所述催化剂以碳纤维布为载体，载体表面生长Fe-Ni2P/CeO2纳米片。
2.一种根据权利要求1所述的碳纤维布负载过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将金属镍盐、铁盐、铈盐、尿素和氟化铵溶解于水中，搅拌均匀后转移至聚四氟乙烯反应釜内衬中；将碳纤维布载体加入反应釜内衬中，利用水热合成法制备NiFeCe-LDH前驱体；
步骤2、将NiFeCe-LDH前驱体和次磷酸钠置于管式炉中，在惰性气体保护下以升温速率1-6℃/min升温至目标温度，获得自支撑Fe-Ni2P/CeO2纳米片催化剂。
3.根据权利要求2所述的碳纤维布负载过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述镍盐、铁盐和铈盐分别为氯化镍或硝酸镍、氯化铁或硝酸铁和氯化铈或硝酸铈；镍盐与铁盐摩尔量比为1:0.01-1:1，镍盐和铈盐摩尔量比为1:0-1:0.5，反应温度和时间分别为80-150℃和4-10小时。
4.根据权利要求3所述的碳纤维布负载过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2中，NiFeCe-LDH和次磷酸钠质量比为1:3-1:10，反应温度和时间分别为270-420℃和1-5小时。
5.根据权利要求3-4任意一项所述的制备方法获得的Fe-Ni2P/CeO2催化剂在电解水制氢方面的应用，其特征在于：包括电催化析氢反应、析氧反应和全电解水反应。
6.根据权利要求5所述的制备方法获得的Fe-Ni2P/CeO2催化剂在电解水制氢方面的应用，其特征在于：Fe-Ni2P/CeO2直接作为电解槽阳极和阴极的催化电极。
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2023
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