用于电解水制氢的催化剂及制备方法、电解水制氢的方法技术

本发明专利技术提供了用于电解水制氢的催化剂及制备方法、电解水制氢的方法。所述催化剂为钴掺杂硫化镍复合氧化铁或氢氧化铁的多相材料，其中，所述多相材料的钴掺杂硫化镍中钴元素和镍元素的摩尔比为1:2

【技术实现步骤摘要】
用于电解水制氢的催化剂及制备方法、电解水制氢的方法


[0001]本专利技术属于电解水制氢
，尤其涉及一种用于电解水制氢的催化剂及制备方法、电解水制氢的方法。

技术介绍

[0002]当前，电解水制氢主要有三种技术路线：碱性电解(Alkaline Water Electrolysis,AWE)、质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)电解和固体氧化物(Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC)电解，其中碱性电解水制氢技术相对成熟、成本较低，更具经济性，是目前主要的商用电解水制氢技术。
[0003]催化材料对碱性电解水制氢效益的提升具有重要作用。目前，对于非贵金属硫化物的研究有很多，例如，在加入氯化铁和硫化钠的溶液中，放入一片泡沫镍作为镍源，通过一步水热法合成了Fe
0.9
Ni
2.1
S2@NF催化剂，在1.0mol/L的KOH溶液中，HER(Hydrogen Evolution Reaction)分别需要72mV和252mV的过电位达到10mA cm
‑2和100mA cm
‑2的电流密度，并且在100mA cm
‑2电流密度下稳定运行了20多小时。又如，有研究人员通过静电纺丝和原子层沉积两步法制备获得碳纤维负载的SFCNF/Co1‑
x S@CoN催化材料，在1.0mol/KOH溶液中，HER仅需要20mV过电位即可达到10mA cm
‑2，并且同样具有不错的OER(Oxygen Evolution Reaction)性能，可用于全解水反应，在不同电流密度下(最大50mA cm
‑2)进行了60小时的稳定性测试。对于小电流下的反应目前可以做到很低的过电位，但大电流下的反应还是比较困难的，而且硫化物也容易发生硫流失，从而导致性能不稳定。为实现碱性电解池制氢的商业化应用，在大电流下长时间稳定反应的催化剂是非常必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的在于提供一种较低的过电位下能达到较高电流密度，且在较高电流密度下能够稳定运行的用于电解水制氢的催化剂。
[0005]本专利技术的另一个目的在于提供一种较低的过电位下能达到较高电流密度，且在较高电流密度下能够稳定运行的用于电解水制氢的催化剂的制备方法。
[0006]特别地，本专利技术提供了一种用于电解水制氢的催化剂，所述催化剂为钴掺杂硫化镍复合氧化铁或氢氧化铁的多相材料，其中，所述多相材料的钴掺杂硫化镍中钴元素和镍元素的摩尔比为1:2
‑
19。
[0007]进一步地，所述钴掺杂硫化镍为纳米颗粒状；
[0008]所述多相材料的氧化铁的微观结构为片状薄膜。
[0009]特别地，本专利技术提供了一种如前述的催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0010]提供第一三电极体系，所述第一三电极体系中工作电极为多孔导电材料件，电解液为亚铁盐和硝酸盐的水溶液；
[0011]向所述第一三电极体系施加预设电位，以在所述多孔导电材料件上沉积氧化铁；
[0012]提供第二三电极体系，所述第二三电极体系中工作电极为沉积有所述氧化铁的所
述多孔导电材料件，电解液为镍盐、钴盐以及有机含硫化合物的酸溶液，其中，所述钴盐和所述镍盐的摩尔比为1:2
‑
19；
[0013]对所述第二三电极体系进行加热并进行电沉积反应，从而在所述多孔导电材料件上沉积出所述钴掺杂硫化镍复合氧化铁或氢氧化铁的多相材料。
[0014]进一步地，所述第二三电极体系的电解液的配置方法包括如下步骤：
[0015]将所述镍盐和所述钴盐施加至乙醇和水的混合溶液或者乙醇溶液中，得到镍盐和钴盐的混合溶液；
[0016]向所述镍盐和钴盐的混合溶液中施加所述有机含硫化合物和酸性pH调节剂，所述镍盐、钴盐以及有机含硫化合物的酸溶液。
[0017]进一步地，所述镍盐、钴盐以及有机含硫化合物的酸溶液的pH值为0.25
‑
0.45。
[0018]进一步地，所述向所述第一三电极体系施加预设电位，以在所述多孔导电材料件上沉积氧化铁的步骤中，所述第一三电极体系的参比电极为Ag/AgCl，所述预设电位为
‑
0.8V至
‑
1.5V中任一值。
[0019]进一步地，所述对所述第二三电极体系进行加热并进行电沉积反应，从而在所述多孔导电材料件上沉积出所述钴掺杂硫化镍复合氧化铁或氢氧化铁的多相材料的步骤中，所述第二三电极体系的参比电极为Ag/AgCl，所述第二三电极体系的电位为
‑
1V至
‑
1.5V中任一值。
[0020]进一步地，所述对所述第二三电极体系进行加热并进行电沉积反应，从而在所述多孔导电材料件上沉积出所述钴掺杂硫化镍复合氧化铁或氢氧化铁的多相材料的步骤中，所述加热的温度为50
‑
70℃中任一值。
[0021]特别地，本专利技术还提供了一种电解水制氢的制备方法，利用如前述的制备方法制备获得的催化剂进行电解水制氢。
[0022]根据本专利技术的方案，将钴掺杂硫化镍复合氧化铁或氢氧化铁的多相材料作为用于电解水制氢的催化剂，并且多相材料的钴掺杂硫化镍中钴元素和镍元素的摩尔比为1:2
‑
19，由于钴掺杂硫化镍是复合在氧化铁上，从而使得该钴掺杂硫化镍不容易发生硫流失，并且，钴掺杂硫化镍和氧化铁可以发生协同作用，同时，钴元素的少量掺杂使得最终获得的钴掺杂硫化镍中钴为三价态钴，即钴掺杂硫化镍中不含硫化钴。经过后续表征验证，该三价态钴对于最终催化剂能够在较低的过电位下能达到较高电流密度，且在较高电流密度下能够稳定运行的效果中起着及其重要的作用。
[0023]进一步地，本专利技术中制备的氧化铁具有片状的微观结构，钴掺杂硫化镍主要以纳米颗粒的形式附着在氧化铁片层上形成最终的多相催化剂材料。具有如此微观结构的催化剂最终可以实现最低230mV的过电位就达到1000mA cm
‑2的电流密度，并且可以在此电流密度下稳定运行300小时以上。同时在较高温度的实际工作条件下，在相同的大电流下，仅需175mV的过电位。并且同时具有不错的稳定性。
[0024]根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0025]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。
附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0026]图1示出了根据本专利技术一个实施例的用于电解水制氢的催化剂的透射电子显微镜图；
[0027]图2示出了根据本专利技术一个实施例的用于电解水制氢的催化剂在常温下在230mV的过电位下电流密度
‑
时间曲线图；
[0028]图3示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于电解水制氢的催化剂，其特征在于，所述催化剂为钴掺杂硫化镍复合氧化铁或氢氧化铁的多相材料，其中，所述多相材料的钴掺杂硫化镍中钴元素和镍元素的摩尔比为1:2
‑
19。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述钴掺杂硫化镍为纳米颗粒状；所述多相材料的氧化铁的微观结构为片状薄膜。3.一种如权利要求1
‑
2中任一项所述的催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供第一三电极体系，所述第一三电极体系中工作电极为多孔导电材料件，电解液为亚铁盐和硝酸盐的水溶液；向所述第一三电极体系施加预设电位，以在所述多孔导电材料件上沉积氧化铁；提供第二三电极体系，所述第二三电极体系中工作电极为沉积有所述氧化铁的所述多孔导电材料件，电解液为镍盐、钴盐以及有机含硫化合物的酸溶液，其中，所述钴盐和所述镍盐的摩尔比为1:2
‑
19；对所述第二三电极体系进行加热并进行电沉积反应，从而在所述多孔导电材料件上沉积出所述钴掺杂硫化镍复合氧化铁或氢氧化铁的多相材料。4.根据权利要求3所述的催化剂的制备方法，其特征在于，所述第二三电极体系的电解液的配置方法包括如下步骤：将所述镍盐和所述钴盐施加至乙醇和水的混合溶液或者乙醇溶液中，得到镍盐和钴盐的混合溶液；向所述镍盐和钴盐的混合溶液中施加所述有机含硫化合物和酸性pH调节剂，所述镍盐、钴盐以及有机含硫化合物的酸溶液。5.根据权利要求4所述的催化剂的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟俊，李硕，冯坤，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：