[发明专利]一种通过电化学刻蚀提高贵金属基材料电催化性能的方法

说明书

本发明公开了一种通过电化学刻蚀提高贵金属基材料电催化性能的方法，属于电化学领域。所用的贵金属基材料为硫化、氮化或磷化的贵金属基纳米线，首先通过油浴法制备出贵金属基纳米线，随后油浴加热掺S/N/P得到硫化、氮化或磷化的贵金属纳米线，将其在酸中进行线性循环伏安反应进行电化学刻蚀，最后测试其电化学性能，通过电化学刻蚀可以明显减小催化剂的尺寸，从而使得大量的表面贵金属原子暴露出来。本发明方法简单、效果显著，大大增加贵金属的利用率，提高了电催化性能。

技术领域

本发明属于电催化领域，具体涉及一种通过电化学刻蚀提高贵金属基材料电催化性能的方法。

背景技术

随着人口的不断增长，人类对于能源的需求量越来越大，需要提高可再生清洁能源在能源结构中的占比，以构建一个可持续的能源系统。氢能作为可持续能源系统的重要组成，具有可再生循环利用、无碳排放、能量密度高、对环境友好等特点。然而目前大多数的的氢气仍然来源于化石能源蒸汽重整所得，这不仅会造成再次的能源消耗，还会排放大量的二氧化碳，而电解水作为一种清洁的制氢方案，具有稳定的输出、可大规模生产和产物高纯等特点，将成为未来能源发展的必然选择，尤其未来可以利用风能、太阳能、水力发电等作为能量输入源，使得其更具有广阔的应用前景。然而，电解水的高成本限制了电解水制氢的发展，电解水需要的理论最小电势差达到了1.23V，且由于阴极和阳极涉及多步电子转移反应，引入了反应动力学势垒,因此需要电催化剂来加速反应，降低反应过电势，从而降低能源消耗、降低成本。

尽管酸性条件下催化剂析氢(HER)的性能较碱性条件下高数个量级，但是由于酸性条件下，催化剂会变得不稳定，对于设备也提出了更高的要求,因此目前科学家的研究重点放在了碱性电解水析氢上。碱性条件下，电解水析氢机理如下：首先发生的是Volmer水裂解过程，即把一个水分子分解成一个氢质子和氢氧根(H₂O+e^-→H^*+HO^-)；随后，当氢质子浓度较低时，优先发生Heyrosky过程，即一个氢质子结合水裂解过程产生的氢质子生成一个氢气分子(H^*+H₂O+e^-→H₂+HO^-)；当氢质子浓度较高时，优先发生Tafel过程，即两个氢质子直接结合生成一个氢气分子(H^*+H^*→H₂)。由反应原理可以看出，催化剂的水裂解能力和氢吸附自由能力尤为重要。

根据Sabatier principle,具有最佳HER活性的催化剂的必要不充分条件是△G_H≈0。若催化剂和H^*的相互作用力太弱会导致在固体电催化剂上吸收的氢质子浓度低；若作用过强会导致催化剂的活性位始终被吸附的H^*占据，不利于释放氢气，导致催化剂中毒。而铂(Pt)位于氢吸附能火山曲线的顶点，具有最佳的氢吸附自由能(氢吸附自由能为氢吸附能和氢脱吸附能之间的差值)，因此Pt是目前最优异的电催化析氢催化剂。然而，Pt的稀缺和高昂的价格严重限制了其大规模应用，因此,如何提高Pt的利用率应当是研究的重点。