[发明专利]一种多面体钴铱纳米颗粒析氢电催化剂及其镀液和制备方法

说明书

本发明公开了一种多面体钴铱纳米颗粒电解水析氢电催化剂及其镀液和制备方法，钴铱纳米颗粒具有八面体和十面体结构，颗粒尺寸为10～250nm，颗粒内钴和铱的化学成分分布均匀，其铱含量为45～95wt％，且催化剂催化析氢性能塔菲尔斜率为30～40mV/decade。催化剂的镀液：钴盐为硫酸钴5～200mmol/L、氨基磺酸钴1～100mmol/L，铱盐为六溴代铱(IV)酸钠10～150mmol/L、六溴代铱(III)酸钠1～100mmol/L，导电盐为溴化钠0.1～500mmol/L、氯化钠0.1～100mmol/L，络合剂为柠檬酸三铵1～20mmol/L、四硼酸钠1～10mmol/L，其它添加剂为笨并三氮唑1～10mmol/L、硫脲1～10mmol/L、十二烷基苯磺酸钠1～5mmol/L。本发明通过电化学沉积工艺制备，效率高、可应用于形状复杂的可导电基体表面制备、纳米颗粒尺寸大小及其成分可控，另外催化性能高效，稳定性强。

技术领域

本发明属于能源电催化领域，尤其涉及一种多面体钴铱纳米颗粒析氢电催化剂及其镀液和制备方法。

背景技术

当今世界能源和环境问题越来越严重，随着化石燃料的不断消耗，清洁可再生能源受到了极大的关注。通常，太阳能、风能等一系列的可再生能源都可以转化为电的形式。氢气由于具有燃烧效率高和零污染的特性被认为是最理想的化石燃料替代者。氢能的需求促进了电催化剂在电催化还原制氢的应用前景。目前获取氢能源的最基本的方式为是电解水，电解水分为析氧反应(OER)和析氢反应(HER)，但两者都需要高活性电催化剂来降低过电势。因此，制备高活性电催化剂用于电解水既可降低成本，也利于大规模制氢。

较为理想的电催化剂要具备以下三点：(1)析氢过电势低；(2)稳定性良好，服役寿命长；(3)生产成本低，且易于制备。贵金属铂表面发生析氢反应时，其析氢过电势很低，但是该金属价格昂贵，储量稀少，无法得到广泛应用。

铱是非常高效的电催化剂，但铱在地壳中的含量甚至比铂还低。将铱和过渡金属合金化，是减少铱的使用量并提高催化性能的高效可行的方法。例如，Pi等人利用湿化学方法制备出超小单分散性的IrM(M＝Fe,Co,Ni)团簇，可作为高效的水裂解催化剂(Adv.Func.Mater.2017,27,1700886)。但是这类合金催化剂制备方法较复杂，而且添加剂中贵金属Ir的用量很大，其结构内部的Ir没有得到充分利用。唐正华等人在已公开专利《氮掺杂多孔碳包覆的钴铱核壳结构纳米颗粒的制备及其催化水裂解应用》中设计出核壳结构的钴铱纳米颗粒，采用化学镀制备技术制备出钴铱核壳结构纳米颗粒，可用在电催化析氢和析氧反应中，但是与本发明相比，该催化剂制作时间过长，耗能更高，步骤繁琐，析氢过电势也更高。

本发明采用电化学沉积技术制备电催化剂，基体为泡沫铜，泡沫铜基体可以增加电催化剂的反应面积，制备出多面体钴铱纳米颗粒，并应用于电催化析氢领域。

发明内容

本发明公开了一种多面体钴铱纳米颗粒电解水析氢电催化剂，其特征在于钴铱纳米颗粒具有八面体和十面体结构，颗粒尺寸为10～250nm，颗粒内钴和铱的化学成分分布均匀，其铱含量为45～95wt％，且催化剂催化析氢性能塔菲尔斜率为30～40mV/decade。

本发明还公开了一种多面体钴铱纳米颗粒析氢电催化剂的镀液，其特征在于钴盐为硫酸钴5～200mmol/L、氨基磺酸钴1～100mmol/L，铱盐为六溴代铱(IV)酸钠10～150mmol/L、六溴代铱(III)酸钠1～100mmol/L，导电盐为溴化钠0.1～500mmol/L、氯化钠0.1～100mmol/L，络合剂为柠檬酸三铵1～20mmol/L、四硼酸钠1～10mmol/L，其它添加剂为苯并三氮唑1～10mmol/L、硫脲1～10mmol/L、十二烷基苯磺酸钠1～5mmol/L。

本发明还提供了一种多面体钴铱纳米颗粒析氢电催化剂的制备方法，具体制备方法步骤如下所示：

(1)对泡沫铜进行表面杂质油污处理，先在丙酮溶液中浸泡1h,后在丙酮中超声清洗10min，然后在浓度为50％的硝酸中清洗5～10s，并洗净烘干；