薄膜催化剂及其制备方法和应用

本申请属于材料制备，具体涉及一种薄膜催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着煤、石油等传统不可再生能源储量不断减少，不但能源价格日益增高，而且造成的环境问题也愈加严重。因此迫切需要寻找清洁可再生能源替代传统的不可再生能源，以缓解成本以及环境污染等问题。其中，氢气有含能高且质量密度低的特点，具有广大的应用前景。电化学析氢反应作为产氢方式之一，在整个生产过程中无污染物的排放，其反应为：2h++2e-→h2。但是，电化学析氢反应这个过程面临着一个巨大的挑战，即：如何通过低成本且简单快速的方法，制备出兼具高性能和高寿命特征的电催化剂。

2、目前，薄膜催化剂中自支撑薄膜材料具有免粘合剂、稳定性好和性能优异等特点，被广泛用于电化学产氢反应。具有高活性和稳定性的薄膜催化剂是电解水产氢研究的关键。为了得到高活性和稳定性的薄膜催化剂，人们通常采用调节反应温度的高低、改变反应时间的长短以及增减反应添加的试剂等方法进行材料改性。这些改性手段容易引起副反应和杂质的出现，反应条件的改变会带来复杂的合成过程与成本的增加，对最终产物的成分种类与结构也难以控制。

3、因而，现有薄膜催化剂具有制备过程复杂、改性不可控且容易引入杂质和副反应等问题。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种薄膜催化剂及其制备方法和应用，旨在一定程度上解决现有薄膜催化剂制备过程复杂、改性不可控且容易引入杂质和副反应的问题。

2、为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

3、第一方面，本申请提供一种薄膜催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、提供前驱体样品，所述前驱体样品的表面含有金属成分；

5、对所述前驱体样品进行酸处理、盐处理或碱处理，得到表面处理后的前驱体；

6、将所述表面处理后的前驱体与硫源和钼源在混合溶液中进行水热反应，得到薄膜催化剂。

7、在一些可能的实现方式中，所述酸处理的条件包括：在温度为20℃～100℃、浓度为0.0001m～4m的酸性溶液中浸泡1s～10h。

8、在一些可能的实现方式中，所述碱处理的条件包括：在温度为20℃～100℃、浓度为0.0001m～10m的碱性溶液中浸泡1s h～10h。

9、在一些可能的实现方式中，所述盐处理的条件包括：在温度为20℃～100℃、浓度为0.0001m～10m的盐性溶液中浸泡1s h～10h。

10、在一些可能的实现方式中，所述水热反应的温度为100℃～250℃，时长为0.5h～20h。

11、在一些可能的实现方式中，所述酸性溶液包括硫酸、硝酸、盐酸中的至少一种。

12、在一些可能的实现方式中，所述碱性溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水中的至少一种。

13、在一些可能的实现方式中，所述盐处理包括氯化钠溶液、氯化钾溶液中的至少一种。

14、在一些可能的实现方式中，硫源包括硫脲、单质硫中的至少一种。

15、在一些可能的实现方式中，钼源包括四硫代钼酸铵、钼酸铵中的至少一种。

16、在一些可能的实现方式中，所述表面处理后的前驱体与所述硫脲的质量比为1：(0.001～5)。

17、在一些可能的实现方式中，所述硫脲与所述四硫代钼酸铵的摩尔比为1：(0.001～2)。

18、在一些可能的实现方式中，所述硫脲的浓度为0.001m～1m，所述四硫代钼酸铵的浓度为0.001m～1m。

19、在一些可能的实现方式中，所述前驱体样品包括金属片、金属块、金属网、金属薄膜或表面含金属成分的基板。

20、在一些可能的实现方式中，所述前驱体样品中金属成分包括金属镍。

21、在一些可能的实现方式中，所述前驱体样品的制备方式包括电化学沉积。

22、在一些可能的实现方式中，所述表面含金属成分的基板中支撑材料包括碳布。

23、在一些可能的实现方式中，所述电化学沉积采用的电解液中包括：镍源的浓度为0.0001m～1m，ph调节剂的浓度为0m～1m，电解质盐的浓度为0m～5m。

24、在一些可能的实现方式中，所述电化学沉积的电流密度为10ma/cm2～500ma/cm2，沉积时间为1min～60min，沉积温度为20℃～60℃。

25、在一些可能的实现方式中，所述电化学沉积的体系为二电极沉积，碳布作为阴极，铂丝作为阳极。

26、第二方面，本申请提供一种上述方法制备的薄膜催化剂，所述薄膜催化剂的表面负载有催化剂活性材料。

27、在一些可能的实现方式中，所述催化剂包括硫酸镍、硫化镍、三氧化钼和二硫化钼。

28、第三方面，本申请提供一种薄膜催化剂的应用，将上述的薄膜催化剂应用到电解水产氢领域。

29、本申请第一方面提供的薄膜催化剂的制备方法，表面含有金属成分的前驱体样品后，对所述前驱体样品进行酸处理、碱处理或者盐处理，得到表面处理后的前驱体；然后将所述表面处理后的前驱体与硫源和钼源在混合溶液中进行水热反应，使酸处理、碱处理或者盐处理后的前驱体转化成自支撑薄膜催化剂。本申请薄膜催化剂的制备方法，通过对前驱体样品表面的金属成分进行表面酸处理，盐处理或碱处理，能够直接调整后续在水热反应过程中形成的催化剂层的厚度和成分分布，从而能够调整薄膜催化剂的电化学性能，获得高性能和高寿命特征的薄膜催化剂。并且，通过调节酸处理，盐处理或碱处理的表面处理工艺的条件，能够在保持薄膜催化剂的形貌与元素和成分种类不变的情况下，调节薄膜催化剂中催化剂层的厚度、成分分布以及电化学性能，并且对前驱体样品表面的金属成分的改性处理不会额外引入杂质成分，也没有额外副反应的发生，更好的确保了薄膜催化剂涂层调整的可控性。

30、本申请第二方面薄膜催化剂，由上述方法制得，薄膜催化剂的表面负载有催化剂活性材料，催化剂活性材料负载分布均匀且稳定，提高了薄膜催化剂的电化学活性和使用寿命。

31、本申请第三方面上述薄膜催化剂兼具高性能和高使用寿命等特性，尤其适用于电解水长氢领域。

技术特征：

1.一种薄膜催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于，所述酸处理的条件包括：在温度为20℃～100℃、浓度为0.0001m～4m的酸性溶液中浸泡1s～10h；

3.如权利要求2所述的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液包括硫酸、硝酸、盐酸中的至少一种；

4.如权利要求1～3任一项所述的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于，硫源包括硫脲、单质硫中的至少一种；

5.如权利要求4所述的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于，所述表面处理后的前驱体与所述硫脲的质量比为1：(0.001～5)；

6.如权利要求1或5所述的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于，所述前驱体样品包括金属块、金属片、金属网、金属薄膜或表面含金属成分的基板；

7.如权利要求6所述的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于，所述表面含金属成分的基板中支撑材料包括碳布；

8.一种如权利要求1～7任一项所述方法制备的薄膜催化剂，其特征在于，所述薄膜催化剂的表面负载有催化剂活性材料。

9.如权利要求8所述的薄膜催化剂，其特征在于，所述催化剂活性材料包括硫酸镍、硫化镍、三氧化钼和二硫化钼。

10.一种薄膜催化剂的应用，其特征在于，将如权利要求8～9任一项所述的薄膜催化剂应用到电解水产氢领域。

技术总结本申请属于材料制备技术领域，具体涉及一种薄膜催化剂及其制备方法和应用。薄膜催化剂的制备方法包括步骤：提供前驱体样品，所述前驱体样品的表面含有金属成分；对所述前驱体样品进行酸处理、碱处理或者盐处理，得到表面处理后的前驱体；将所述表面处理后的前驱体与硫源和钼源在混合溶液中进行水热反应，得到薄膜催化剂。通过对前驱体样品中含有金属成分的表面进行酸处理、碱处理或者盐处理，能够直接调整后续在水热反应中形成的催化剂层的厚度和成分分布，从而能够调整薄膜催化剂的电化学性能，获得高性能和高寿命特征的薄膜催化剂。技术研发人员：朱世虎,王刚,苏宇锋,徐广涛,刘兰荣受保护的技术使用者：郑州大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29