[发明专利]一种Pt-Ni复合材料、其制备方法及其作为电解水制氢催化剂的应用

说明书

本发明公开了一种Pt‑Ni复合材料、其制备方法及其作为电解水制氢催化剂的应用，属于电解水制氢催化剂技术领域，本发明通过一步置换反应能实现高效、低成本地制备Pt‑Ni复合材料：以镍基材料为基底，在室温环境下通过自发的置换反应将Pt离子还原成金属单质并牢固地附着到基底材料上，形成具有自支撑结构的三维复合材料并能直接作为电极催化电解水制备氢气；本发明的Pt‑Ni复合材料合成方法简单、灵活、周期短，几乎对设备没有任何要求，不受合成场所/容器的限制，Pt用量非常低，大大节约了材料的制备成本，本发明的材料在碱性条件下的催化析氢活性远优于商业化的Pt/C材料，本发明为实现高效大规模工业化电解水制备氢气奠定了坚实的基础。

技术领域

本发明涉及电解水制氢催化剂技术领域，尤其涉及一种Pt-Ni复合材料、其制备方法及其作为电解水制氢催化剂的应用。

背景技术

氢能具有高能量密度、可循环和无碳排放等优点，因而被誉为理想的未来能源载体。虽然制氢的方法多种多样，但电解水制备氢气具有重要非常重要的应用前景，这主要是由于电解水具有原料丰富、环保和可操作性强等优点。由于酸性电解液存在腐蚀设备以及和酸性溶液中阳极缺乏高活性电催化剂等因素，利用碱性或者中性溶液有望实现大规模产生氢气。目前，从碱性水中产生氢的效率约为30%〜40%，而中性溶液效率更低。鉴于此，开发具有高活性的电极材料是提高电解水制氢效率、降低工业水电解能耗的有效策略之一。

目前来看，虽然大量研究已经证实了非贵金属电催化剂具有不错的催化电解水的性能，但基于Pt的催化材料在实际应用中的优势是不可替代的。为了降低成本、进一步提高性能-成本比，开发了形式多样的Pt基电催化剂具有十分重大的实际意义。常见的Pt基电催化剂优化方法主要可分为两种：一种是通过最大化催化剂比表面积来暴露更多的催化位点，例如合成单原子Pt催化剂。另一种常见的策略是在原子水平上调整催化位点的内在活性，例如化学掺杂。基于上述的策略，构建自支撑三维异质结铂基催化剂是一种非常有效的方法，它可以同时增加活性位点的固有活性同时提高单位面积上活性位点的数量。

理论计算已经证实，在水分解过程中，Pt催化位点不能很好地断裂HO–H键。因此，用过渡金属氧化物调节Pt位点的催化活性被证明是可行的。也就是说，过渡金属含氧化物能加速水的分解，Pt位点能为原子氢的吸附和随后的复合提供了催化场所。例如，Markovic的研究小组发现，与Pt单晶相比，利用超薄Ni(OH)₂修饰的Pt(111)复合材料活性增加了8倍。为了进一步提高铂-基多相催化剂的催化活性，Zhao课题组在碳基底上合成了具有丰富原子维度的NiO/PtNi纳米颗粒(PtNi-O/C)。在70 mV的过电位下，PtNi-O/C表现出7.23 mA/µg的高质量活性。虽然这些文献报道的催化材料都展现出了较优异的催化活性，但是其制备方法非常繁琐耗时，对反应设备具有特定的要求，而且涉及到的反应设备价格昂贵，这无疑加重了工业化生产的设备投资、时间成本以及人力成本。

同样，目前涉及到电解水制氢电极材料领域的专利大多都只注重催化材料的活性提升，而没有考虑材料制备过程中的成本问题。例如，中国专利申请CN201910444423.5公开了一种含有V元素的Pt-Ni复合材料作为电解水制氢的催化剂，中国专利申请CN202010368208.4公开了一种Pt-Ni-硅酸盐纳米管-石墨烯的复合材料作为电解水制氢的催化剂。这些专利中公开的电极材料都需要繁琐的合成步骤，同样会产生额外的运营成本；此外合成的铂基材料在实际应用过程中还需要通过使用高分子聚合物辅助黏附在导电材料表面形成电极，而这种通过后期组装的方式形成的电极在电解过程中活性涂敷物会从导电基底上掉落，从而使得电极的稳定性得不到保证。

因此持续优化Pt-金属(氢)氧化物的结构对于其实际应用是必要的。首先，开发更为简单、低成本、节约时间的合成方法对于铂-过渡金属基催化剂的产业化应用至关重要；其次，合理设计催化剂结构，对进一步提高催化活性的长期耐久性、催化活性以及使用稳定性具有重大意义。

发明内容

本发明的目的之一，就在于提供一种Pt-Ni复合材料的制备方法，以解决上述问题。