[发明专利]一种二氧化铈基纳米电催化析氢催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供一种二氧化铈基纳米电催化析氢催化剂，包括多孔镍和负载在其上的过渡金属掺杂的二氧化铈，其中所述过渡金属选自Co²⁺、Ni²⁺中的至少一种，所述过渡金属均匀分散在所述二氧化铈中；所述催化剂的制备方法，包括以下步骤：以Ce³⁺和过渡金属M为金属离子、异烟酸为有机配体、多孔镍为载体合成多孔镍负载的含过渡金属M的铈基金属有机框架，其中所述M选自Co²⁺、Ni²⁺中的至少一种；将所述多孔镍负载的含过渡金属M的铈基金属有机框架在空气中进行煅烧得到所述二氧化铈基纳米电催化析氢催化剂。所述催化剂中的过渡金属离子均匀分散在CeO₂基体中，同时具有大的比表面积，具有高的电催化析氢活性。

技术领域

本发明涉及电催化析氢技术领域，具体是一种二氧化铈基纳米电催化析氢催化剂及其制备方法。

背景技术

氢能作为一种高效的、清洁的、可再生能源，是新型能源体系中一类重要的能源，可以代替化石燃料。氢能具有许多独特的优点，比如：资源丰富、燃烧热值高、清洁环保等。电解水制氢技术是目前人类熟知的应用相当广泛的制备氢气的方法，电解水制氢的方法就是利用外加电源的作用促使水发生电解反应制备出氢气，其具有流程简单、无污染、可循环利用等优点。但是在电解水制氢过程中，存在一大问题，那就是能量消耗过大的问题，这制约了该技术更大规模的使用。为了解决这一问题，有效的降低析氢过电位才能减少电解制氢过程中的能耗。所以研究具有高的催化活性、低的过电位的阴极析氢材料是目前亟待解决的问题。现在常用的催化剂是铂族贵金属催化剂，它是一种析氢效率最高的电催化剂，能够在非常接近热力学反应电动势的电压下实现析氢反应。但是，由于贵金属资源稀少，价格昂贵，无法大规模工业生产氢气。因此，科学家们一直致力于开发一种来源丰富、具有高效的电催化析氢性能的催化剂来代替铂族贵金属。二氧化铈(CeO₂)是一种具有良好导电率的稀土金属氧化物，是具有许多八面体空位的立方萤石型结构，即使在缺氧的条件下形成大量的氧空位，仍能保持立方萤石型晶体结构。这种亚稳的氧化物暴露在氧化气氛中，又容易被氧化为CeO₂。因而CeO₂具有优越的储存和释放氧功能及氧化还原反应能力。此外，CeO₂与负载金属或金属氧化物的强相互作用及可调性使其成为性能优良的载体材料.其优良性能表现在以下几个方面：加强金属分散性、促进载体抗烧结性、促进贵金属氧化和还原、高储氧性(OSC)涉及结构氧的迁移等。另外，CeO₂的立方萤石结构使得其他离子如Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺等可进入CeO₂晶格，从而改善CeO₂的理化性质。这些性能都使得以CeO₂为基础的电催化材料具有相当大的优势，能在电催化析氢中得到广泛的应用。

现有技术主要以预先制备的CeO₂纳米材料(包括纳米片、纳米棒等)，通过掺杂过渡金属或金属氧化物等，来提升电催化析氢性能。此类技术存在的缺陷和不足是掺杂金属离子分散性差、局部浓度高，比表面积较小、且难以连续调控而影响电催化活性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种二氧化铈基纳米电催化析氢催化剂及其制备方法，所述催化剂具有高的电催化析氢性能。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种二氧化铈基纳米电催化析氢催化剂，所述催化剂包括多孔镍和负载在其上的过渡金属掺杂的二氧化铈，其中所述过渡金属选自Co²⁺、Ni²⁺中的至少一种，所述过渡金属均匀分散在所述二氧化铈中。

一种所述二氧化铈基纳米电催化析氢催化剂的制备方法，包括以下步骤：