木质炭衍生的自支撑一体化电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于新能源电解水电极材料技术领域，公开了木质炭衍生的自支撑一体化电极材料及其制备方法和应用，方法包括S1、杨木切片后置于保护气氛中碳化，得到木质炭衍生的三维多孔碳化木；S2、将镍源、钼源和硫源分散于溶剂中，搅拌得到混合溶液；S3、将三维多孔碳化木和混合溶液在高压反应釜中反应，冷却至室温，经去离子水清洗后，真空干燥，得到木质炭衍生的自支撑一体化电极材料；该电极材料在电解水制氢中的应用。本发明专利技术采用水热合成法合成木质炭衍生的自支撑一体化电极材料，通过掺杂产生晶格膨胀，优化硫化物表面的电子结构，提高本征电催化活性；其方法简单、高效、成本低，适合大规模推广应用。规模推广应用。规模推广应用。

【技术实现步骤摘要】
木质炭衍生的自支撑一体化电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及新能源电解水电极材料
，具体涉及一种木质炭衍生的自支撑一体化电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]大力发展可再生的清洁能源逐渐成为研究重点。其中，由于氢气具有质量轻、热值高、燃烧无污染等优势，其被认为是最有效的能源载体之一。据估计，预计到2030年，全球的氢气需求量将达到1.15亿吨左右，显示出广阔的应用前景。然而，当前氢气主要来自化石能源制氢和工业副产制氢，其伴随着大量CO2和CO等有害气体的排放。从技术路径上来看，电解水制氢技术通过将太阳能、风能和水电等无污染的间歇性能源转化为可控和可运输的清洁氢能，具有工艺简单、环境友好、制氢效率和纯度高等优点，逐渐成为本领域的前沿技术之一。
[0003]电解水制氢技术是一种复杂的气液固三相界面反应。为了最大限度地利用活性物质、加快气液传输并提高电催化活性和稳定性，对电极结构和表面性能的设计与选择至关重要。目前，泡沫镍、泡沫铜等被广泛用作原位生长电极材料的三维多孔载体，然而，它们的成本较高，并且在复杂的电解环境中容易腐蚀。因此，如何得到低成本高稳定性的三维多孔电极，以增强气、液的传输，是本领域亟需解决的问题。
[0004]电解水制氢技术(OWS)涉及两个半反应，阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)。其析氢反应和析氧反应缓慢的动力学阻碍了催化效率，目前，电解水制氢的电耗为4.5～5.5kWh/Nm
3 H2，主要受限于高能耗的阳极产氧反应(＞1.8V)。因此，需要高效的催化电极材料来降低反应活化能，降低能耗。研究发现，贵金属基Pt/C电极材料具有优良的析氢催化性能，贵金属基RuO2和IrO2电极材料具有良好的析氧催化性能，但贵金属基电极材料具有成本高、储量低、长期稳定性较差等缺点，阻碍了其大规模应用。相比之下，过渡金属硫化物由于其低成本、丰富的储量而成为有前途的贵金属基电极材料的替代材料。然而，过渡金属硫化物的催化活性相较贵金属的催化活性较差。因此，如何对过渡金属硫化物进行可控的设计以实现高效的催化活性，是本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术意在提供一种木质炭衍生的自支撑一体化电极材料及其制备方法和应用，通过一种简单高效的方法制得的原位生长于碳化木上的钼掺杂硫化镍电极材料，对碱性条件下的电解水反应展现出优异的电催化活性和稳定性，以解决上述问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]木质炭衍生的自支撑一体化电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、将杨木沿垂直生长方向切片，再将其置于保护气氛中碳化，得到木质炭衍生的三维多孔碳化木；
[0009]S2、将镍源、钼源和硫源依次分散于溶剂中，搅拌使其充分溶解，得到混合溶液；
[0010]S3、将步骤S1得到的三维多孔碳化木和步骤S2得到的混合溶液转移至高压反应釜中反应，反应完成后冷却至室温，经去离子水清洗后，真空干燥，即得所需木质炭衍生的自支撑一体化电极材料。
[0011]进一步地，在S1中，杨木切片的长*宽*高为3cm
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2cm
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0.1cm；保护气氛为Ar2和N2中的一种，保护气氛的流量为50～120mL/min，碳化的温度为300℃～1000℃，升温速率为1～20℃/min，碳化时间为1～15h。
[0012]进一步地，在S2中，镍源为硫酸盐、草酸盐、硝酸盐、卤化物、乙酸盐、乙酰丙酮盐水溶性盐中的一种；钼源为钼酸盐；硫源为硫粉、硫脲、尿素、硫化钠、硫氰酸铵、乙二胺、硫代乙酰胺、半胱氨酸、二甲基亚砜水溶性化合物中的一种；溶剂为经去离子水稀释的分析纯级乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、N,N
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二甲基甲酰胺、乙二胺碱性可溶性溶剂和水溶液中的一种。
[0013]进一步地，在S2中，加入的镍源、钼源和硫源的摩尔比为1：0.1～1：3～6。
[0014]进一步地，在S3中，在高压反应釜中反应的温度为120～200℃，反应时间为1～36h。
[0015]利用上述一种木质炭衍生的自支撑一体化电极材料的制备方法制备得到的木质炭衍生的自支撑一体化电极材料。
[0016]利用上述一种木质炭衍生的自支撑一体化电极材料的制备方法制备得到的木质炭衍生的自支撑一体化电极材料在电解水制氢中的应用。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018]1、本专利技术木质炭衍生的自支撑一体化电极材料，通过改变金属钼的掺杂量进而调控晶格膨胀的程度以提高本征电催化活性，展现出优异的电解水性能和稳定性；其方法简单、高效、成本低，适合进行大规模推广应用。
[0019]2、本专利技术木质炭衍生的自支撑一体化电极材料，具有二维片状形貌，可以暴露更多活性位点，进而提高电催化活性，同时其形貌可以通过控制反应物浓度、水热反应的温度、反应时间进行优化，重复性好，得到的催化剂具有较高的比表面积，本征电化学活性高，利于催化剂与电解液中的水分子接触，促进水分子电解反应。
[0020]3、本专利技术木质炭衍生的自支撑一体化电极材料，因其三维分级多孔结构、低曲率微通道、可调的亲/疏水性和良好的机械性能，为电解水构建了高效的气、液、固三相反应界面，而且采用碳化木材作为基底有利于进一步降低大规模生产成本。
附图说明
[0021]图1为本专利技术制备木质炭衍生的自支撑一体化电极材料的流程图；
[0022]图2为本专利技术利用木质炭衍生的自支撑一体化电极材料进行析氢、析氧性能测试的装置示意图；
[0023]图中，(a)为电化学工作站；(b)为单室电解槽；(c)为工作电极；(d)为对电极；(e)为参比电极；
[0024]图3为本专利技术利用木质炭衍生的自支撑一体化电极材料电解水产氢的装置示意图；
[0025]图中，(a)为H型双室电解槽；(b)为阴极；(c)为阳极；
[0026]图4为本专利技术实施例1中Mo
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Ni3S4/CW
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0.2，实施例2中Mo
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Ni3S4/CW
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0.4，实施例3中Mo
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Ni3S4/CW
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0.6，对比例1中Ni3S4/CW的XRD图；
[0027]图5为本专利技术实施例1～3和对比例1制备得到的电极材料的SEM/TEM图；
[0028]图中，a、b为对比例1中Ni3S4/CW的SEM图；c为对比例1中Ni3S4/CW的TEM图；d、e为实施例1中Mo
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Ni3S4/CW
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0.2的SEM图；f为实施例1中Mo
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Ni3S4/CW
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0.2的TEM图；g、h为实施例2中Mo
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Ni3S4/CW
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0.4的SEM图；i为实施例2中Mo
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Ni3S4/CW<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.木质炭衍生的自支撑一体化电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将杨木沿垂直生长方向切片，再将其置于保护气氛中碳化，得到木质炭衍生的三维多孔碳化木；S2、将镍源、钼源和硫源依次分散于溶剂中，搅拌使其充分溶解，得到混合溶液；S3、将步骤S1得到的三维多孔碳化木和步骤S2得到的混合溶液转移至高压反应釜中反应，反应完成后冷却至室温，经去离子水清洗后，真空干燥，即得所需木质炭衍生的自支撑一体化电极材料。2.根据权利要求1所述的一种木质炭衍生的自支撑一体化电极材料的制备方法，其特征在于，在S1中，杨木切片的长*宽*高为3cm
×
2cm
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0.1cm；保护气氛为Ar2和N2中的一种，保护气氛的流量为50～120mL/min，碳化的温度为300℃～1000℃，升温速率为1～20℃/min，碳化时间为1～15h。3.根据权利要求1所述的一种木质炭衍生的自支撑一体化电极材料的制备方法，其特征在于，在S2中，镍源为硫酸盐、草酸盐、硝酸盐、...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄建林，史志凯，毛铖威，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：