一种复合析氢催化剂及其制备方法和应用技术

本申请属于析氢催化剂技术领域，尤其涉及一种复合析氢催化剂及其制备方法和应用。本申请提供的复合析氢催化剂包括氮掺杂的碳纳米管和CuPtNi合金纳米粒子，氮掺杂的碳纳米管负载CuPtNi合金纳米粒子，用氮掺杂的碳纳米管负载CuPtNi合金纳米粒子提高CuPtNi合金纳米粒子与氮掺杂的碳纳米管之间相互作用，防止CuPtNi合金纳米粒子团聚，维持析氢催化剂的比表面积和析氢位点，保证了复合析氢催化剂的性能稳定性；且Cu的压缩应力改善Pt周围电子环境并调控Ni原子，降低析氢催化剂与析氢反应分子之间的键合强度，提高了析氢催化活性，解决了铂与贱金属复合析氢催化性能不稳定和催化活性有待提高的技术问题。性有待提高的技术问题。性有待提高的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种复合析氢催化剂及其制备方法和应用


[0001]本申请属于析氢催化剂
，尤其涉及一种复合析氢催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]与碱性电解槽电解水制氢装置相比，质子交换膜(PEM)电解槽电解水制氢响应时间短(小于5s)，所制备氢气纯度高(大于99.99％)，因此，是当前科研工作者重点研究方向。
[0003]由于铂(Pt)具有优良的析氢性能，因此，铂(Pt)作为析氢催化剂被广泛应用在质子交换膜(PEM)电解槽电解水制氢过程中，然而，铂(Pt)是贵金属，价格昂贵，因此，铂(Pt)常和贱金属复合作为析氢催化剂；但铂(Pt)常和贱金属复合作为析氢催化剂应用在质子交换膜(PEM)电解槽大电流电解水制氢过程中，贱金属容易流失，金属纳米粒子容易团聚，导致催化剂活性面积减小，催化稳定性下降，并且与贱金属复合后，析氢催化剂的活性有所下降。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请提供了一种复合析氢催化剂及其制备方法和应用，用氮掺杂的碳纳米管负载CuPtNi合金纳米粒子，提高了CuPtNi合金纳米粒子与碳纳米管的相互作用；同时，Cu的压缩应力降低了催化剂与反应分子之间的键合强度，从而解决了铂与贱金属复合后作为析氢催化剂容易团聚、析氢催化性能不稳定以及催化活性有待提高的技术问题。
[0005]本申请第一方面提供了一种复合析氢催化剂，所述复合析氢催化剂包括：氮掺杂的碳纳米管和CuPtNi合金纳米粒子；
[0006]所述氮掺杂的碳纳米管负载所述CuPtNi合金纳米粒子。
[0007]优选的，所述CuPtNi合金纳米粒子为CuPtNi固溶体合金纳米粒子；
[0008]所述CuPtNi固溶体合金纳米粒子中Cu：Pt：Ni的原子比为1:1:0.23。
[0009]优选的，所述CuPtNi合金纳米粒子粒径为3～15nm。
[0010]优选的，所述CuPtNi合金纳米粒子粒径为5～8nm。
[0011]优选的，所述氮掺杂的碳纳米管为氮掺杂的多壁碳纳米管。
[0012]优选的，所述氮掺杂的碳纳米管宽度为10～50nm，长度为2～8μm，厚度为5～25nm。
[0013]优选的，以质量份计算，所述复合析氢催化剂中包括：
[0014]铜
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3～8份；
[0015]铂
ꢀꢀ
15～20份；
[0016]镍
ꢀꢀ
0.6～1.8份；
[0017]氮掺杂的碳纳米管75～95份。
[0018]本申请第二方面提供上述复合析氢催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0019]步骤1、将铜源、氮掺杂石墨烯碳纳米管、还原剂加入到溶剂中进行第一反应，得到第一反应溶液；
[0020]步骤2、将镍源和铂源加入到第一反应溶液中进行第二反应，得到复合析氢催化剂；
[0021]步骤1中，所述第一反应包括：在保护气体下搅拌，进行第一反应；
[0022]所述搅拌的温度为40℃～80℃，时间为20min～40min；
[0023]所述第一反应的温度为180℃～250℃，时间为30min～90min；
[0024]步骤2中，所述第二反应的温度为150℃～200℃，时间为3h～5h。
[0025]需要说明的是，本申请采用一锅法合成复合析氢催化剂，一方面使CuPtNi合金纳米粒子分散良好，合成过程简单；另一方面在铜晶种形成之前加入碳纳米管，可以形成高分散、小尺寸的金属纳米粒子，从而提高了复合析氢催化剂的催化性能。
[0026]优选的，步骤1中，所述第一反应的反应物还包括：表面活性剂。
[0027]优选的，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵和/或十六烷基三甲基氯化铵。
[0028]需要说明的是，在第一反应中表面活性剂的加入缓解了纳米颗粒的团聚，有利于纳米颗粒的均匀分布，从而提高了复合析氢催化剂的催化性能。
[0029]优选的，步骤1中，进行第一反应前，还包括超声处理铜源、氮掺杂石墨烯碳纳米管、还原剂以及表面活性剂和溶剂。
[0030]优选的，所述超声处理的功率为65～125W，时间为40～80min。
[0031]优选的，所述铜源为Cu(acac)2、CuCl2、Cu(NO3)2和CuSO4中的一种或一种以上。
[0032]优选的，所述铜源溶液的浓度为0.04
‑
0.12mol mL
‑1。
[0033]优选的，所述镍源为Ni(acac)2、NiCl2、Ni(NO3)2和Ni(OH)2中的一种或一种以上。
[0034]优选的，所述镍源溶液的浓度为0.001
‑
0.005mol/L。
[0035]优选的，所述镍源溶液的浓度为0.00035mol/L。
[0036]优选的，所述铂源为Pt(acac)2、H2PtCl6、Pt(CO)2Cl2和PtCl4中的一种或一种以上；
[0037]优选的，所述铂源溶液的浓度为0.005
‑
0.015mol/L。
[0038]优选的，所述铂源溶液的浓度为0.0132mol/L。
[0039]优选的，所述还原剂为葡萄糖、柠檬酸钠和L
‑
抗坏血酸中的一种或一种以上。
[0040]优选的，所述还原剂为葡萄糖。
[0041]优选的，步骤1
‑
2中，所述溶剂为油胺。
[0042]优选的，步骤1中，所述保护气体为氮气和/或氩气。
[0043]优选的，所述表面活性剂与铜源的摩尔比为6：1～16：1。
[0044]优选的，述表面活性剂与铜源的摩尔比为11：1。
[0045]优选的，所述还原剂与铜源的摩尔比为30：1～45：1。
[0046]优选的，所述还原剂与铜源的摩尔比为38:1。
[0047]优选的，所述铜源、铂源与镍源的摩尔比为1：2：0.4～1：1：0.05。
[0048]优选的，所述铜源、铂源与镍源的摩尔比为2：3：0.16。
[0049]优选的，所述铜源、镍源、铂源与碳纳米管的质量比为5：1：7：25～3：1：5：18。
[0050]优选的，所述铜源、镍源、铂源与碳纳米管的质量比为4：1：6：21。
[0051]超声处理除了促进铜源、还原剂以及表面活性剂的分散溶解，还能提高氮掺杂石墨烯碳纳米管的分散性，从而进一步提高了纳米颗粒的分布均匀性，提高了复合析氢催化剂的催化性能。
[0052]本申请第三方面提供上述复合析氢催化剂在PEM电解槽电解水析氢领域中的应用。
[0053]需要说明的是，本申请提供的复合析氢催化剂CuPtNi/N@CNT具有稳定性好，析氢活性高的性质，可广泛应用在PEM电解槽电解水析氢领域。
[0054]综上所述，本申请提供了一种复合析氢催化剂及其制备方法和应用，所述复合析氢催化剂包括：氮掺杂的碳纳米管和C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合析氢催化剂，其特征在于，所述复合析氢催化剂包括氮掺杂的碳纳米管和CuPtNi合金纳米粒子；所述氮掺杂的碳纳米管负载所述CuPtNi合金纳米粒子。2.根据权利要求1所述的复合析氢催化剂，其特征在于，所述CuPtNi合金纳米粒子为CuPtNi固溶体合金纳米粒子；所述CuPtNi固溶体合金纳米粒子中Cu：Pt：Ni的原子比为1:1:0.23。3.根据权利要求1所述的复合析氢催化剂，其特征在于，所述CuPtNi合金纳米粒子粒径为5～8nm。4.根据权利要求1所述的复合析氢催化剂，其特征在于，所述氮掺杂的碳纳米管为氮掺杂的多壁碳纳米管；所述氮掺杂的碳纳米管宽度为10～50nm，长度为2～8μm，厚度为5～25nm。5.根据权利要求1所述的复合析氢催化剂，其特征在于，以质量份计算，所述复合析氢催化剂中包括：铜3～8份；铂15～20份；镍0.6～1.8份；氮掺杂的碳纳米管75～95份。6.权利要求1
‑
5任一项所述的复合析氢催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤1、将铜源、氮掺杂石墨烯碳纳米管、还原剂加入到溶剂中进行第一反应，得到第一反应溶液；步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘团杰，武建平，廖卫平，杨玺，杜文娇，晏梦璇，刘石，刘志刚，杨毅，刘海源，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：