[发明专利]一种碱性溶液析氢电催化剂V2

说明书

本发明公开了一种碱性溶液析氢电催化剂V₂O₃‑NiPt，所述催化剂V₂O₃‑NiPt的主要成分为V₂O₃和NiPt合金，其中V元素的质量百分比含量为5‑20%，Pt元素的质量百分比含量为5‑30%，Ni元素的质量百分比含量为50‑90%。本发明还公开了该碱性溶液析氢电催化剂V₂O₃‑NiPt的制备方法和应用。本发明的方法制备得到的V₂O₃‑NiPt异质结型碱性析氢催化剂作为电极材料，不仅具有较好的碱性析氢性能，而且具有较低的贵金属铂含量，同时表现出优良的电化学稳定性，展现了良好的碱性电解水析氢催化性能。本发明的制备方法简单、绿色环保、低成本，适合工业大规模生产。

技术领域

本发明属于电解水析氢催化剂的制备领域，具体涉及一种碱性溶液析氢电催化剂V₂O₃-NiPt及其制备方法和应用。

背景技术

随着人类社会的发展，化石燃料严重消耗，开发新能源变得更加迫切。其中氢能具有原料储量丰富，无污染以及高热值等优点，有望成为期待化石燃料而解决能源危机。氢气的制备方法比较多，但依旧存在生产设备投资高、工艺复杂、能耗高、制备氢气不纯等问题，寻求一种高效的制氢方法是非常重要的。

电解水制氢是一种具有悠久历史的制氢方法。其制备原理简单，即将直流电通过碱性水溶液，将水分解，在阳极析出氧气，阴极析出氢气。该方法具有如下优点：(1)工艺过程比较简单；(2)制备的氢气纯度高；(3)能大规模生产并且无污染。但电解水需要提供大量的能量，根据法拉第定律，标准状况下制取1m³氢气理论上用电量为2.49kWh，实际用电量为理论用电量的两倍。从而制备高催化活性析氢材料以降低能耗是一个非常值得研究的课题。电解水制氢是实现大规模制氢的重要手段，但因析氢过电位的存在，电解水过程中槽压增大，使能耗增加；因而研制高析氢催化活性电极材料，降低阴极析氢过电位，是降低能耗量最有效的方法。

众所周知，贵金属铂(Pt)是碱性电解水析氢反应(HER)中最高效的催化剂之一，然而昂贵的价格和稀缺性限制了它的广泛使用。而且，即使对于Pt基电催化剂，其在碱性溶液中的碱性析氢催化活性也比酸性溶液中低2-3个数量级。因此，寻找高效、低成本的碱性析氢催化剂成为近几年来的研究热点。目前广泛用于碱性电解水析氢催化剂的材料有各种过渡金属化合物、非贵金属合金和非贵金属化合物与贵金属所形成的异质结型材料。

在非贵金属中，金属镍是碱性电解水中最为典型的析氢电催化剂材料。并且通过引入外来原子或者另外的活性成分，对镍进行电子调节或协同催化作用，可以提高镍基材料的碱性HER催化活性。例如MoNi₄，Pt NWs/SL-Ni(OH)₂，MoS₂-NiS₂等都展现出了异质结构催化剂能很大程度提升碱性析氢性能。研究表明，催化剂性能的提升与外来原子或活性成分的性质密切相关。探索新的催化剂可以促进对结构或者组分活性关系和催化剂性能的理解。相对于钼和钨基材料，VB族金属尤其是钒基材料(如氧化物、钒酸盐、碳化物等)，虽然具有丰富的地球资源并且作为水分解催化剂出现，但却很少被研究。最近，Wang等人证明了V-O键可以作为有效的HER活性成分。鉴于此，我们希望V-O 材料能够成为协同促进NiPt合金的HER催化活性的新型候选材料。但如何对镍基材料的电子结构进行精确调控，以制备出低铂、高效的碱性析氢电催化剂，仍然是一大挑战。

发明内容