一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法及其电解海水产氢应用

本发明属于水解制氢，具体涉及一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法及其电解海水产氢应用。

背景技术：

1、析氢反应(hydrogen evolution reaction，her)发生在电解水反应的阴极，是在电场和电催化剂的作用下阴极表面获得电子并发生还原反应，氢元素还原成氢气的过程，是实现高效能源转换与利用的关键一环。但是，电解水反应需要克服反应能垒，动力学缓慢，此过程伴有较高的过电位，因此，亟需高效且稳定的her催化剂来降低过高的反应过电位，并且加速反应动力学。此外，由于全球淡水资源有限，若直接大规模电解水产氢，会加剧淡水资源的短缺。海水是地球上最丰富的水资源，占全球水总量的约97％，把电解水制氢技术应用到电解海水上，是一种更好的解决能源问题的方式。然而，目前的电解海水制氢技术仍存在许多挑战，如电催化产氢的过程需要较高的发电能去驱动水的裂解、海水中盐分对电催化剂造成较严重的侵蚀等问题。

2、尽管非铂(pt)her材料目前受到了广泛的关注，但由于其大多数都存在导电性差，本征活性弱以及活性位点不足的问题。因而金属pt仍被认为是效果最好的析氢催化剂，其起始电位几乎为零，动力学快速。然而,目前所制备的pt基金属电催化剂体系大多是在包含酸、碱或缓冲液的高纯蒸馏水电解质中工作的，鲜有利用海水进行电催化水裂解的报道，主要是因为天然海水中包含有数百种不同的杂质，会导致催化剂中毒和不明副反应的产生。此外，大多数pt基电催化剂材料是采用化学还原，电沉积等方法制备得到的，过程繁琐复杂，危险不环保，制备出的材料也存在纳米颗粒团聚，分散不均匀等问题，导致其电催化活性不佳。因此，开发一种操作简单，环保无污染，且高效稳定的铂基电催化剂材料用于海水产氢具有重要的意义和广阔的前景。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明以泡沫镍为基底材料，通过光还原的方法将铂纳米颗粒分散到氧化铁载体上制成氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂，该电催化剂材料具有电解海水产氢的应用潜力。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法，该方法包括以下步骤：

4、s1、将油酸、乙酰丙酮铁水溶液、氢氧化钠和乙醇混合，通过水热反应后分离样品，经洗涤干燥后合成得到具有立方体晶体结构的氧化铁粉末；

5、s2、对步骤s1的氧化铁粉末进行研磨煅烧处理，然后以甲醇为牺牲剂，水为溶剂，将氧化铁和六水合氯铂酸制成混合溶液，并浸入泡沫镍，混合溶液经脱气后用氙灯光照进行光还原，将铂纳米颗粒还原并负载到氧化铁载体上，即得氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂(记为pt-fe2o3/nf)。

6、本发明提供一种将铂纳米颗粒分散到氧化铁载体上的电催化剂的制备方法，该方法以泡沫镍为基底材料，以甲醇为牺牲剂，通过氙灯采用光还原的方式将铂纳米颗粒分散到氧化铁载体上，光还原法可以使铂更容易地在氧化物上成核，可以更好的增加铂纳米粒子的数量，进而将铂纳米颗粒均匀分散在载体上，充分的利用铂的催化性能。同时，考虑到催化剂的工业化生产，使用光还原铂的方法合成铂基催化剂具有操作简单和降低经济成本等优点。

7、优选地，s1所述水热反应的温度为150-200℃，时间为10-12小时。

8、优选地，s1所述乙酰丙酮铁水溶液的浓度为1-2mmol fe3+/10ml，所述油酸、乙酰丙酮铁水溶液、氢氧化钠和乙醇的用量比为7-15ml：20-30ml：1.0-2.0g：7-15ml。

9、优选地，s2所述研磨煅烧处理为先对氧化铁粉末进行研磨处理，再于氢氩混合气氛围下以4-6℃/min的升温速率升温至210-250℃煅烧1-3小时，最后对煅烧所得的粉末再进行研磨处理。

10、更优选地，所述氢氩混合气中，氢气：氩气的体积比为5-10％：90-95％。

11、优选地，s2所述氙灯光照的电流强度为10-15a，时间为2-2.5小时，氙灯距离溶液液面约30-40cm。

12、优选地，s2所述六水合氯铂酸在添加前先制成0.1-2g/ml的溶液，所述氧化铁粉末、甲醇、水和六水合氯铂酸溶液的用量比为50-100mg：30-45ml：10-15ml：20-40μl。

13、更优选地，所述甲醇与水的体积比为3：1。

14、优选地，s2所述泡沫镍在使用前先进行清洗处理：依次用盐酸、丙酮、乙醇和水对泡沫镍进行20-40分钟的超声清洗，再干燥。

15、优选地，s2所述的泡沫镍的面积大小为2cm2，但不限于该大小。

16、优选地，s2混合溶液脱气前，先对含泡沫镍、氧化铁、甲醇、水以及六水合氯铂酸的混合溶液进行超声分散，超声分散的功率为300w-400w，时间为20min-40min。

17、优选地，s2将分散好的混合溶液在光照前经过氩气脱气20-50分钟。

18、优选地，s2光还原后取出负载催化剂的泡沫镍利用乙醇和水进行冲洗洗涤，并干燥。

19、本发明第二方面提供了采用第一方面所述的制备方法制备得到的氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂。

20、本发明第三方面提供了第二方面所述的氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂在电解海水制氢中的应用。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明通过光还原方法制备得到一种氧化铁负载高分散铂纳米颗粒的电催化剂，即以甲醇作为牺牲剂，水为溶剂，在氙灯光照下将铂纳米颗粒还原并负载到氧化铁载体上而制备得到。本发明所制得的氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂不仅能在海水电解液下电解海水产氢，解决海水析氢的难题，而且该催化剂纳米颗粒分散性更好，具有高稳定性和高活性等优势，在海水产氢应用中有良好的稳定性性能。此外，本发明制备催化剂的过程操作简单，环保无污染，经济实用。

技术特征：

1.一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法，其特征在于，s1所述水热反应的温度为150-200℃，时间为10-12小时。

3.根据权利要求1所述的一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法，其特征在于，s1所述乙酰丙酮铁水溶液的浓度为1-2mmol fe3+/10ml，所述油酸、乙酰丙酮铁水溶液、氢氧化钠和乙醇的用量比为7-15ml：20-30ml：1.0-2.0g：7-15ml。

4.根据权利要求1所述的一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法，其特征在于，s2所述研磨煅烧处理为先对氧化铁粉末进行研磨处理，再于氢氩混合气氛围下以4-6℃/min的升温速率升温至210-250℃煅烧1-3小时，最后对煅烧所得的粉末再进行研磨处理。

5.根据权利要求1所述的一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法，其特征在于，s2所述氙灯光照的电流强度为10-15a，时间为2-2.5小时，氙灯距离溶液液面约30-40cm。

6.根据权利要求1所述的一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法，其特征在于，s2所述六水合氯铂酸在添加前先制成0.1-2g/ml的溶液，所述氧化铁粉末、甲醇、水和六水合氯铂酸溶液的用量比为50-100mg：30-45ml：10-15ml：20-40μl。

7.根据权利要求6所述的一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法，其特征在于，所述甲醇与水的体积比为3：1。

8.根据权利要求1所述的一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法，其特征在于，s2所述泡沫镍在使用前先进行清洗处理：依次用盐酸、丙酮、乙醇和水对泡沫镍进行20-40分钟的超声清洗，再干燥。

9.采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂。

10.权利要求9所述的氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂在电解海水制氢中的应用。

技术总结本发明属于水解制氢技术领域，具体涉及一种光还原制备氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂的方法及其电解海水产氢应用。为了开发一种操作简单，环保无污染，且高效稳定的铂基电催化剂材料用于海水产氢，本发明以甲醇作为牺牲剂，水为溶剂，在氙灯光照下将铂纳米颗粒还原并负载到氧化铁载体上而制备得到一种氧化铁负载高分散铂纳米颗粒催化剂，该催化剂不仅能在海水电解液下电解海水产氢，解决海水析氢的难题，而且该催化剂纳米颗粒分散性更好，具有高稳定性和高活性等优势，在海水产氢应用中有良好的稳定性性能。此外，本发明制备催化剂的过程操作简单，环保无污染，经济实用，具有重要的潜在应用价值。技术研发人员：应杰,张惠月,肖宇轩受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17