[发明专利]一种氢析出电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种氢析出电催化剂及其制备方法与应用，该催化剂包括Co、Pt双单原子掺杂的复合材料，所述复合材料中的Co和Pt均以单原子形式存在，其中，Co活性位点含有Co‑N配位，Pt活性位点含有Pt‑N/C配位。制备方法包括：制备掺杂过渡金属的碳载体；使碳载体物理吸附铂离子；利用电化学还原法将铂还原出来，所得催化剂中的铂和钴均以单原子形式存在。本发明催化剂中的Co和Pt均以单原子形式存在，含有两种活性位点；掺杂过渡金属的碳载体因比表面积大，缺陷多有较强的锚定铂单原子的能力；所得单原子催化剂具有优异的氢析出活性，且制备方法温和简单，能够应用在电解水中。

技术领域

本发明涉及电催化剂及其制备方法与应用，尤其涉及一种氢析出电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

商业Pt/C是广泛使用的电解水中的氢析出电催化剂之一。然而金属铂价格高昂导致电解水成本高昂。因此降低催化剂中的Pt载量是亟需解决的问题。

降低铂载量的方法主要有制备非铂催化剂，合金催化剂和单原子催化剂。但是非铂催化剂的活性和稳定性都很差，无法满足要求。合金催化剂的合成需要复杂的过程且对活性的提高有限。因此，近些年来，人们致力于合成单原子催化剂。单原子催化剂中，每一个金属原子都可以作为活性位点，原子利用率提升至百分之百，被认为是降低铂载量的终极方法。单原子催化剂中配位原子改变活性中心原子的电子结构，降低了金属原子对其他物质的吸附能力，提高了选择性。晶体表面积越小，表明自由能就会急剧增大，催化剂有着强烈降低自身能量的趋势，因此单原子催化剂有着较强的反应活性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种铂和钴均以单原子形式存在、氢析出活性高的氢析出电催化剂；

本发明的第二个目的是提供一种氢析出电催化剂的制备方法；

本发明的第三个目的是提供一种氢析出电催化剂的应用。

技术方案：本发明所述的氢析出电催化剂，包括Co、Pt双单原子掺杂的复合材料，所述复合材料中的Co和Pt均以单原子形式存在，其中，Co活性位点含有Co-N配位，Pt活性位点含有Pt-N/C配位。

上述氢析出电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用2-甲基咪唑、六水合硝酸锌、Co盐为原料经水热法得到掺杂过渡金属的沸石咪唑骨架结构材料，所述沸石咪唑骨架结构材料经高温热解得到掺杂过渡金属的多孔钴氮碳载体；

(2)将钴氮碳载体与超纯水、Pt前驱体磁力搅拌混合，采用物理吸附法使碳载体吸附Pt前驱体，吸附Pt前驱体的碳载体经离心、洗涤、干燥后得到吸附有Pt离子的碳材料；

(3)将吸附有Pt离子的碳材料与超纯水、乙醇、Nafion按比例混合配制成浆料，滴于玻碳片上，浆料干燥后，组装铂碳片与Pt片电极作为工作电极，氢标作为对电极，碳棒作为对电极，利用电化学还原法将Pt还原出来；

(4)还原过程结束后，将玻碳片上的催化剂超声，经抽滤、洗涤后，催化剂黏附于滤纸上，经干燥后得到具有双活性位点单原子的氢析出电催化剂。

其中，所述步骤(2)中，Pt前驱体为氯铂酸、二氯化铂、乙酰丙酮铂、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠、氯铂酸钾或氯亚铂酸钾中的至少一种。

其中，所述步骤(1)中，Co盐的质量分数不超过0.8wt％；

其中，所述步骤(2)中，所述Pt前驱体的投料量占多孔钴氮碳载体的比例不超过1wt％。

其中，所述步骤(3)中，所述浆料的配比为Nafion体积分数为3％～8％，超纯水的体积分数为10％～20％，乙醇的体积分数为80％～95％。

其中，所述步骤(3)中，所述玻碳片上催化剂的浆料浓度为0.2-1.5mg/cm²。