一种电催化剂及其制备方法及其在电解海水中的应用

本发明涉及电化学析氢催化剂制备，具体涉及一种电催化剂及其制备方法及其在电解海水中的应用。

背景技术：

1、为了解决日益加剧的环境污染以及化石燃料燃烧等挑战，发展清洁和可持续的能源以解决人类面临的能源危机至关重要。由于风能、太阳能和潮汐能等具有间歇性，因此需要进行能源转化和储存装置来解决此类问题。氢能由于能量密度高、清洁无污染以及可持续等优点，被认为是最具有发展前景的清洁能源。而电解水制氢技术具有

2、海水体系由于存在大量的na+、cl-，会导致在阳极处析出氯气对电极造成严重的腐蚀。因此为了避免氯气的析出提高电极的稳定性，电解海水需要保证ph>7.5。然而在碱性介质中，her反应的进行首先是在催化剂的表面吸附h2o分子后解离，造成her的反应动力学过程缓慢。因此，开发碱性海水条件下高活性及高稳定性的析氢电催化剂是将电解海水进行工业化制氢的必要条件。

3、由于非贵金属催化剂的成本低及优异的催化活性，引起了研究者的广泛关注，如过渡金属硫化物、磷化物、硒化物、碳化物及氮化物等。而过渡金属氮化物(tmns)由于具有类似贵金属pt的d带电子结构、优异的导电性以及化学稳定性、高的电催化活性以及机械强度，被认为是一种极具发展前景的电催化剂。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺点和不足之处，本发明通过简单的水热反应及两步热处理过程，制备了具有n空位的泡沫镍负载的双金属氮化物。制备方法简单及成本低为大规模制备电解海水析氢电极提供前景。

2、根据本技术的一个方面，提供一种电催化剂，所述电催化剂包括基体和原位生长于基体表面的ni3n/mon活性组分；

3、所述ni3n/mon活性组分具有氮空位；

4、所述电催化剂中，所述ni3n/mon活性组分的质量含量为5～50wt％；

5、可选地，所述电催化剂中，所述ni3n/mon活性组分的质量含量为5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％中的任意值或任意两者之间的范围值。

6、所述ni3n/mon活性组分中，ni元素的摩尔含量为10～50％；

7、可选地，所述ni3n/mon活性组分中，ni元素的摩尔含量为10％、20％、30％、40％、50％中的任意值或任意两者之间的范围值。

8、所述ni3n/mon活性组分中，mo元素的的摩尔含量为10～50％；

9、可选地，所述ni3n/mon活性组分中，mo元素的的摩尔含量为10％、20％、30％、40％、50％中的任意值或任意两者之间的范围值。

10、所述基体选自泡沫镍、碳纸、泡沫铜、镍网。

11、根据本技术的另一个方面，提供一种上述的电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

12、将基体浸渍于含有mo盐和ni盐的水溶液中，反应、于含氮气氛中焙烧、还原，得到所述电催化剂。

13、所述mo盐选自钼酸钠和/或钼酸铵；

14、所述ni盐选自硝酸镍、硫酸镍、氯化镍中的至少一种；

15、所述有mo盐和ni盐的摩尔比为10：1～1：10；以mo盐或ni盐中的mo元素或ni元素的摩尔量计；

16、所述含有mo盐和ni盐的水溶液中，所述mo盐和ni盐的总浓度为0.01～0.1m。

17、可选地，所述含有mo盐和ni盐的水溶液中，所述mo盐和ni盐的总浓度为0.01m、0.05m、0.1m中的任意值或任意两者之间的范围值。

18、所述反应的温度为300～600℃；

19、可选地，所述反应的温度为300℃、400℃、500℃、600℃中的任意值或任意两者之间的范围值。

20、所述反应的时间为4～10h；

21、可选地，所述反应的时间为4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h中的任意值或任意两者之间的范围值。

22、所述焙烧的温度为300～600℃；

23、可选地，所述焙烧的温度为300℃、400℃、500℃、600℃中的任意值或任意两者之间的范围值。

24、所述焙烧的时间为1～5h；

25、可选地，所述焙烧的时间为1h、2h、3h、4h、5h中的任意值或任意两者之间的范围值。

26、所述焙烧的升温速率为3～10℃/min；

27、可选地，所述焙烧的升温速率为3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min中的任意值或任意两者之间的范围值。

28、所述含氮气氛为氮气和/氨气气氛；

29、所述含氮气氛还含有氦气、氩气中的至少一种；

30、所述还原的温度为300～600℃；

31、可选地，所述还原的温度为300℃、400℃、500℃、600℃中的任意值或任意两者之间的范围值。

32、所述还原的时间为1～5h；

33、可选地，所述还原的时间为1h、2h、3h、4h、5h中的任意值或任意两者之间的范围值。

34、所述还原的升温速率为3～10℃/min；

35、可选地，所述还原的升温速率为3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min中的任意值或任意两者之间的范围值。

36、所述还原的气氛为氢气气氛。

37、具体地，本发明目的通过以下技术方案实现，该方法包括以下步骤：

38、a、泡沫镍基底的处理：取3×4cm面积大小的泡沫镍依次用盐酸、丙酮、去离子水各超声清洗去除电极表面的氧化物及有机物,后放置真空烘箱中干燥。

39、b、反应前驱体的制备：称取一定量的镍盐、钼酸盐并加入适量的去离子水，搅拌均匀后超声分散，将处理后的泡沫镍基底放置于反应釜内衬中恒温保持若干小时，反应结束后，自然冷却至室温后洗涤干燥。

40、c、过渡金属氮化物的制备：将上述反应前驱体置于管式炉内，在nh3气体氛围下，升温到一定温度保持若干小时。自然冷却至室温，得到nimon催化剂。在h2气体氛围下，升温到一定温度保持若干小时，自然冷却至室温，得到含有n空位的nv-ni3n/mon催化剂。

41、其中nv代表氮空位。

42、根据本技术的另一个方面，提供一种电极，其特征在于，

43、所述电极含有上述的电催化剂或上述的制备方法制备的电催化剂。

44、根据本技术的另一个方面，提供一种碱性电解海水的方法，采用上述的电极。

45、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

46、本发明采用煅烧的方法制备了具有丰富活性位点的过渡金属氮化物，存在的两相通过调节电子结构进一步提高了催化活性。因此氮空位和异质结构共存的nv-ni3n/mon电催化剂在碱性海水中具有较小的析氢过电位和高电流密度下较高的稳定性。