[发明专利]一种析氢催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学催化领域，具体涉及一种析氢催化剂及其制备方法。

背景技术

目前，能源危机已经深入人心，化石燃料储量有限，人们需要发展新型能源 一代替传统化石能源，氢气因清洁、高效成为新型替代能源的最佳选择。在制取 氢气的众多手段中，生物制氢由于转化效率低、产氢量小等缺点限制了其大规模 工业化生产。光解水制氢的能量来自太阳能，资源丰富。但光催化剂和光催化体 系普遍存在光腐蚀，催化光区窄及能量转化效率低等问题。电催化析氢因工艺简 单，无污染而得到了广泛的学术关注和商业应用，工艺简单，不会产生污染，其 制氢过程以水为原料产生氢气和氧气，是氢与氧反应生成水的逆过程。目前，电 解水是生产大规模高纯度氢气最有效的方法之一。氢气析出反应是分解水过程中 最关键的一步，电催化剂可以降低氢气析出的过电位，从而促进氢离子还原为氢 气，提高能源转化的效率。一直以来人们最常用的催化剂是Pt基催化剂，但是 Pt金属十分昂贵且稀缺，这些缺陷限制了Pt基催化剂在工业上的大规模应用。另 外，水分解基于质子交换膜技术，在此过程从会用到Nafion、TPPE聚合物粘合 剂，这聚合物本身就有很大的电阻不利于质子交换反应的进行。

因此，人们一直在努力寻找一种低成本、高性能且地壳含量丰富的非贵金属 催化剂来取代Pt等贵金属催化剂，并尽量避免使用聚合物粘合剂。

发明内容

针对上述技术中的缺陷，本发明提供了一种析氢催化剂，其包括基底以及生 长在其上的钴酸镍和硫化铜。该析氢催化剂具有独特的结构，为自支持非贵金属 高活性异质结构的析氢催化剂，具有很好的导电性，表面积大，同时存在大量的 活性位点，这些因素使得本发明具有良好的氢气析出催化性能。将所述析氢催化 剂用于氢气析出反应具有很好的催化效果。

根据本发明的具体实施方式，所述析氢催化剂由基底以及生长在其上的钴酸 镍和硫化铜组成。

根据本发明的具体实施方式，所述钴酸镍生长在基底上，并且所述硫化铜生 长在所述钴酸镍的表面。优选地，所述钴酸镍为钴酸镍纳米线。优选地，所述硫 化铜为无定形硫化铜。

在本发明的具体实施方式中，所述基底选自碳纸、导电玻璃、钛片中的至少 一种，优选碳纸。本发明所用的碳纸，又被称为碳布或碳纤维布，是一种由碳纤 维交错组成编织物。

根据本发明的具体实施方式，在所述析氢催化剂中，钴酸镍和硫化铜的摩尔 比为20-3:1，优选为15-5:1，更优选为10-5:1，最优选为9-6:1。在一个实施例中， 所述钴酸镍和硫化铜的摩尔比为7.0-7.5:1(例如7.15:1)。

根据本发明的具体实施方式，在所述析氢催化剂中，所述钴酸镍的沉积量为 0.05-0.80mg/cm²，优选为0.20-0.50mg/cm²，更优选为0.25-0.45mg/cm²，最优选 为0.28-0.35mg/cm²。在一个实施例中，所述钴酸镍的沉积量为0.30mg/cm²。

根据本发明的具体实施方式，在所述析氢催化剂中，所述硫化铜的沉积量为 0.15-0.2.25mg/cm²，优选为0.50-1.50mg/cm²，更优选为0.60-1.00mg/cm²，最优 选为0.80-0.90mg/cm²。在一个实施例中，所述硫化铜的沉积量为0.85mg/cm²。

本发明还提供了一种上述析氢催化剂的制备方法。所述方法包括首先在所述 基底上生长钴酸镍，然后在所述钴酸镍表面生长硫化铜。优选地，所述钴酸镍为 纳米线结构。优选地，所述硫化铜为无定形硫化铜。

根据本发明的具体实施方式，所述制备方具体包括以下步骤：

步骤S2，将基底浸于含有镍盐、钴盐和表面活性剂的水溶液A中，在100-150 ℃的条件下密封加热10-30h，优选在110-130℃的条件下密封加热12-18h,，然 后洗涤并干燥；

步骤S3，将步骤S2处理后的基底进行退火，得到析氢催化剂预备产物；

步骤S4，将所述析氢催化剂预备产物置于含有铜盐和表面活性剂的水溶液B 中，加热至80-100℃，优选95-100℃，更优选100℃，保持2-6h，优选4h；