[发明专利]一种卤素掺杂铂的电解水纳米催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种卤素掺杂铂的电解水纳米催化材料及其制备方法，属于电解水催化技术领域。本发明以铂源作为金属前驱体，卤化铵作为调控剂，以油胺为溶剂，混合均匀后，以高压的氢气为调控剂，升温至160‑200℃保持4‑24h，通过简单的一步水热法合成卤素掺杂铂纳米材料。掺入Pt晶格中的卤素可以促进H₂O中H‑OH键的断裂，进而加快碱性电解液中析氢过程。相比于质量分数为20％的商业Pt/C，本发明所制备的卤素掺杂铂纳米材料在大电流密度下表现出更佳的催化性能和稳定性。本发明提出的卤素掺杂方法操作简单，可控性强。

技术领域

本发明涉及一种卤素掺杂铂的电解水纳米催化材料及其制备方法，属于电解水催化技术领域。

背景技术

氢气作为一种零排放、无污染、且来源丰富的新能源而备受研究人员的关注和喜爱。通过电解水制取氢气被认为是一种高效、便捷的氢气制备手段，成为了众多产氢手段中的研究热点。电解水由两个半反应构成：阳极析氧反应和阴极析氢反应。为了克服电解水过程的动力学能垒，需要合适的催化剂来降低反应能垒，加快电解水过程。析氢反应一般由两个反应步骤构成，分别是Volmer步骤和Tafel或Heyrovsky步骤。由Volmer步骤生成活性氢物种，随后通过Tafel或Heyrovsky步骤进一步生成氢气。

迄今为止，铂金属催化剂在电解水析氢方面的催化性能最优异，当前Pt/C催化剂在电解水中表现出极佳的催化性能，且已被广泛应用。然而Pt/C催化剂在碱性电解液中的析氢速率仍比在酸性电解液中低2～3个数量级，这是因为在碱性电解液中的Volmer步骤十分缓慢，H-OH键很难断开，因此加快碱性电解液中的Volmer步骤，有利于加快碱性电解液中的析氢过程。

稳定性是电解水催化剂另一需要考虑的重要因素，包括大电流下的稳定性和长时间催化过程中的稳定性。当前绝大部分析氢催化剂都是以10mA cm^-2的电流密度下的过电位大小来作为评价标准，然而10mA cm^-2的电流密度完全无法满足工业应用的要求。催化剂的长期稳定性从另一个角度也能够降低催化剂的价格，具有良好的应用前景。因此，亟需开发大电流密度和长时间稳定的电化学析氢催化剂。

发明内容

【技术问题】

商业Pt/C催化剂无法在大电流密度下长时间催化析氢反应发生。

【技术方案】

为了解决上述问题，本发明提供了一种卤素掺杂铂纳米析氢催化剂及其制备方法，本发明方法简单，制备的一系列卤素掺杂铂纳米催化剂具有优异的析氢活性和大电流长期稳定性。在碱性电解液中，氟掺杂铂、氯掺杂铂、溴掺杂铂和碘掺杂铂纳米催化剂500mAcm^-2的电流密度对应的过电位分别为370mV、481mV、383mV和344mV(vs.RHE)，均可在接近1Acm^-2的电流密度下至少可以保持24h几乎不发生衰减，能够应用于工业电解水制氢领域。

本发明的第一个目的是提供一种卤素掺杂铂析氢纳米催化剂的制备方法，所述方法以铂源作为金属前驱体，卤化铵作为调控剂，以油胺为溶剂，混合均匀后，以高压的氢气为调控剂，升温至160-200℃保持4-24h，之后固液分离即可获得卤素掺杂铂纳米催化剂。

在本发明的一种实施方式中，所述铂源包括乙酰丙酮铂、氯铂酸或氯化铂中的一种或几种。

在本发明的一种实施方式中，所述卤化铵包括氟化铵、氯化铵、溴化铵和碘化铵中的一种或几种。

在本发明的一种实施方式中，所述卤化铵优选为氟化铵。

在本发明的一种实施方式中，所述铂源与卤化铵的摩尔比为1:10-1:150。

在本发明的一种实施方式中，所述氢气的压力为0.2-1MPa。

在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括如下步骤：