一种用于纯水电解制氢的石墨烯催化剂及其制备方法与流程

本发明涉及纯水电解制氢领域，具体的涉及一种纯水制氢的石墨烯催化剂。

背景技术：

1、pem电解水制氢器是目前纯水电解制得高纯度氢气与氧气的常用电化学设备。pem电解技术因高效率(可达90％)，高纯度(99.99％)，能耗低、电解质稳定无腐蚀、安全可靠以及装置体积小、重量轻、寿命长等优点，成为最具潜力的电解水制氢设备。

2、但pem电解水制氢器与传统碱液电解制氢相比，缺点是设备成本较大，最主要由于pem纯水电解需要使用的铂金催化剂较昂贵。pem水电解槽的性能和寿命直接受到膜电极两侧催化剂影响。膜电极组件及集电器上的催化物质(铂系金属)的毒化敏感性高，易被其它一些金属离子(如从钢材中溶解下来的铜、铅、镍等离子)毒化，降低活性。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种用于纯水电解制氢的石墨烯催化剂及其制备方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种用于纯水电解制氢的石墨烯催化剂，其特征在于为氮掺杂石墨烯-镍钼nrgo-ni-mo复合的纯水电解制氢催化剂。

4、优选的，所述氮掺杂石墨烯为吡啶氮的氮掺杂石墨烯，n原子百分数含量在1％-15％。

5、优选的，各组分的质量份数为：nrgo为8-12份，ni-mo合金粉为55-65份，其中ni-mo的质量比为1:1。

6、进一步优选的，nrgo为10份，ni-mo合金粉60份。

7、优选的，还包括质量分数1％-50％铂催化剂。

8、前述的一种用于纯水电解制氢的石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于原料还包括ptfe乳液、丙烯酸乳液、pva溶液、分散剂、消泡剂，包括以下步骤：

9、(1)制备氮掺杂石墨烯，首先对氧化石墨烯进行接枝，然后进行微波辐射使接枝的含氮分子分解，对石墨烯原位掺杂，制备出含吡啶氮的氮掺杂石墨烯；

10、(2)将全部原料混合搅拌后，进行涂刷，然后烘干，最后进行裁切得到所述催化剂产品。

11、优选的，ptfe乳液、丙烯酸乳液、pva溶液、分散剂、消泡剂的质量份数为：

12、质量分数60％的ptfe乳液8-12份；

13、质量分数的丙烯酸乳液7-9份；

14、质量分数50％的pva溶液8-12份；

15、分散剂0.8-1.2份；

16、消泡剂0.8-1.2份。

17、优选的，所述接枝为以氧化石墨烯作为原料，以尿素或氨液作为氮掺杂剂，在180℃、2h水浴加热条件下，形成接枝氮源石墨烯。

18、进一步优选的，所述接枝氮源石墨烯在0.8-1w/cm2的微波功率密度下照射10分钟，接枝氮源石墨烯所含有的含氮接枝分解，并完成石墨烯原位氮掺杂。

19、本发明的氮掺杂石墨烯-镍钼(nrgo-ni-mo)复合的新型低成本纯水电解制氢催化剂，可用于高效催化pem解电制氢。氮掺杂石墨烯具有极高的电催化活性，与镍钴合金形成复合催化作用，可降低铂的使用量甚至进行完全代替。氮掺杂石墨烯为慕嘉新材料公司所生产，通过微波辐射产生瞬间高温，使接枝的含氮分子分解，并实现对石墨烯原位掺杂，制备出吡啶氮的氮掺杂石墨烯，可通过控制微波时间和温度来调控石墨烯表面的氮原子含量和官能团，n含量在1％-15％间可控，具有高比表面积，高电催化活性。上述镍钼合金为市售，粉末状，用于降低析氢析氧超电位，与氮掺杂石墨烯发挥复合催化作用。上述催化剂既可与铂催化剂搭配使用，也可以单独使用。同时可用于阴极和阳极，并在电解水生产氢气和氧气的过程中表现出高活性和稳定性。实际效果远超出简单物理复合的掺杂方式。

技术特征：

1.一种用于纯水电解制氢的石墨烯催化剂，其特征在于为氮掺杂石墨烯-镍钼复合的纯水电解制氢催化剂。

2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于所述氮掺杂石墨烯为吡啶氮的氮掺杂石墨烯，n原子百分数含量在1％-15％。

3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于各组分的质量份数为：nrgo为8-12份，ni-mo合金粉为55-65份，其中ni-mo的质量比为1:1。

4.根据权利要求3所述的催化剂，其特征在于nrgo为10份，ni-mo合金粉60份。

5.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于还包括质量分数1％-50％铂催化剂。

6.权利要求1-5任一所述的一种用于纯水电解制氢的石墨烯催化剂的制备方法，其特征在于原料还包括ptfe乳液、丙烯酸乳液、pva溶液、分散剂、消泡剂，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于ptfe乳液、丙烯酸乳液、pva溶液、分散剂、消泡剂的质量份数为：

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述接枝为以氧化石墨烯作为原料，以尿素或氨液作为氮掺杂剂，在180℃、2h水浴加热条件下，形成接枝氮源石墨烯。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述接枝氮源石墨烯在0.8-1w/cm2的微波功率密度下照射10分钟，接枝氮源石墨烯所含有的含氮接枝分解，并完成石墨烯原位氮掺杂。

技术总结本发明的一种用于纯水电解制氢的石墨烯催化剂，为氮掺杂石墨烯‑镍钼(NRGO‑Ni‑Mo)复合的新型低成本纯水电解制氢催化剂，可用于高效催化PEM解电制氢。氮掺杂石墨烯具有极高的电催化活性，与镍钴合金形成复合催化作用，可降低铂的使用量甚至进行完全代替。氮掺杂石墨烯为慕嘉新材料公司所生产，具有高比表面积，高电催化活性。上述镍钼合金为市售，粉末状，用于降低析氢析氧超电位，与氮掺杂石墨烯发挥复合催化作用。上述催化剂既可与铂催化剂搭配使用，也可以单独使用。同时可用于阴极和阳极，并在电解水生产氢气和氧气的过程中表现出高活性和稳定性。技术研发人员：贺涛受保护的技术使用者：南京慕嘉新材料科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/4/17