[发明专利]一种催化剂及其制备方法以及应用

说明书

本发明公开了一种催化剂及其制备方法以及应用，用于催化电极的析氧反应，所述催化剂包括Ni掺杂的Fe₃N以及聚苯胺碳化衍生的氮惨杂多孔碳载体(NPCs)。本发明提供的催化剂以镍盐、铁盐和NPCs为原料，成本低廉，且镍是过渡金属氮化物，具有高度的抗腐蚀性、导电性和机械强度，具有大比表面积与高分散活性位点，在催化析氧时兼具良好的催化活性和优异的稳定性。通过将镍和铁负载在聚苯胺衍生的NPCs上，形成多孔的结构，从而大表面积和高密度活性位点。

技术领域

本发明涉及电化学制氢技术领域，特别涉及一种催化剂及其制备方法以及应用。

背景技术

开发新型的和先进的可再生能源技术是本世纪科学家和研究人员的重要任务。在众多候选能源中，氢能因其高能量密度(142kJ kg-1)、零污染排放以及广泛的应用而被视为最具吸引力和最可靠的理想能源载体。因此，迫切需要探索既经济又环保的制氢方法。通过废热或可再生的风能或太阳能产生的电力将水分解被认为是高效产生氢能的有前途的清洁途径。目前大多数研究都集中在添加了电解质的净化淡水的分解上，大规模的淡水电解会给重要的水资源带来沉重的压力。与分离净化水相比，海水电解是一项“一石二鸟”的技术，因为它既可以用于制氢，也可以用于海水淡化。与淡水相比，海水占地球总蓄水量的96.5％，在地理上分布均匀，如果我们可以用海水进行水分解，它将成为生产氢气的最佳来源。直接电解海水而不是淡水非常重要，特别是对于干旱地区，因为这种技术不仅储存清洁能源，还能从海水中生产新鲜的饮用水。然而，这项技术需要高活性和高强度的OER催化剂，能够维持海水分离，而不会发生氯析出反应(碱性条件下形成次氯酸盐)和氯化物腐蚀。一般来说，水电解主要由两个半反应组成，包括阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)。与析氢反应相比，OER反应更加缓慢，因为它具有稳定的O-O双键和多步质子和电子转移过程，这极大地阻碍了水电解的整体效率。此外，根据吸附质演化机制，氧化物表面上的HOO*和HO*的吸附能之间的普适标度关系表明OER活性的本能限制。这是创造稳定但具有成本效益的电催化剂的先决条件，以提供低过电势的多个质子和电子转移的有效耦合。在这方面，开发低成本、高活性和耐用的OER电催化剂对于实现水电解用于实际制氢非常重要。

迄今为止，氧化钌(RuO2)和氧化铱(IrO2)由于其低过电势和Tafel斜率而被视为OER工艺中的优选电催化剂，但其商业应用受到其高成本和低储存量的显著限制。此外，除了催化剂的良好活性之外，海水分解的性能还需要与海水中的氯离子反应的耐腐蚀性；与氯离子反应很容易形成金属氯化物，腐蚀催化剂和电极/基底，并极大地影响电极的寿命和活性。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种催化剂，旨在克服现有技术中存在的催化剂成本高，电极的寿命和活性不佳的问题，提供一种成本较低，催化效果较好的催化剂。

为实现上述目的，本发明提出一种催化剂，所述催化剂包括Ni掺杂的Fe₃N以及NPCs。

可选地，Fe和Ni的摩尔比为1:(0.1～0.3)。

可选地，Fe和Ni的摩尔比为1:0.22。

本发明还提供了一种催化剂的制备方法，所述催化剂包括Ni掺杂的Fe₃N以及NPCs，所述催化剂的制备方法包括以下步骤：

S10、将可溶性镍盐溶液和可溶性铁盐溶液混合后，得混合液A；

S20、将NPCs与混合液A混合得混合液B，将混合液B加热蒸干水分，冷却后真空干燥得催化剂前驱体；

S30、将催化剂前驱体煅烧后冷却，得催化剂。

可选地，步骤S10中，铁盐在混合液A中物质的量浓度为0.05～0.08mol/L；和/或，

步骤S10中，镍盐在混合液A中物质的量浓度为0.005～0.027mol/L；和/或，