一种用于全解模拟海水的纳米电催化剂及其制备方法

本技术涉及电催化剂制备，更具体地说，它涉及一种用于全解模拟海水的纳米电催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、开发能够高效利用这些可再生清洁能源的能量储存和转换技术对于解决当前能源短缺、环境污染等问题具有重要意义。

2、海水电解是一种很有前途的清洁氢能生产的途径，对海水淡化也有重要意义。发展电解制氢的关键是尽可能地降低海水电解的过电位和能耗，而加入催化剂可以降低过电位、提高反应速率。目前而言，pt和iro2/ruo2催化剂仍然是析氢反应(her)和析氧反应(oer)的基准电催化剂。由于其昂贵的费用与资源的稀缺性，使其大规模在工业上大规模应用于生产举步维艰，因此迫切需要低成本且高效率的电催化剂。为了寻找贵金属催化剂的替代品，多年来经过众多研究人员的反复试验，如今涌现出越来越多可以代替贵金属的过渡金属作为电催化水解的催化剂，例如过渡金属磷化物、过渡金属硫化物、过渡金属氧化物等。

3、针对上述中的相关技术，发明人认为，目前，通过将过渡金属硫化物负载到导电基体上而得到的催化剂虽然能够用于海水电解，但是天然海水的成分复杂性和高浓度氯离子带来的析氯反应(cler)会干扰oer并与之竞争，使电催化转化效率降低，限制了这一类催化剂的实际应用。

技术实现思路

1、相关技术中，为了改善这一缺陷，本技术提供一种用于全解模拟海水的纳米电催化剂及其制备方法。

2、第一方面，本技术提供一种用于全解模拟海水的纳米电催化剂，采用如下的技术方案：

3、一种用于全解模拟海水的纳米电催化剂，所述纳米电催化剂由基体和负载物组成，所述基体包括碳纤维布和碳纤维静电纺丝层，所述碳纤维静电纺丝层负载于碳纤维布表面，所述负载物负载于碳纤维静电纺丝层表面；所述负载物包括coni2s4、纳米硒化钴和黑磷纳米片，所述coni2s4、纳米硒化钴和黑磷纳米片在每平方厘米碳纤维静电纺丝层表面的负载量依次为7-13mg、2.16-2.85mg、1.74-2.57mg。

4、通过采用上述技术方案，本技术在碳纤维布的基础上负载了碳纤维静电纺丝层，由于静电纺丝的工艺特性，碳纤维静电纺丝层能够实现比编织成型的碳纤维布更大的孔隙率和表面积，从而为负载物的充分负载创造了条件。在本技术选取的负载物中，硒化钴和coni2s4均能够在电解海水过程中起到催化作用，而黑磷纳米片具有良好的导电性，能够弥补硒化钴导电性不佳的缺陷。通过按照本技术的方式进行电催化剂的组装，在coni2s4、纳米硒化钴和黑磷纳米片的共同作用下，电催化剂能够具备更高的电催化转化效率，有助于克服天然海水自身的特性对电解造成的干扰。

5、作为优选，所述碳纤维布在负载碳纤维静电纺丝层之后的增重率为2.7-8.2wt％。

6、通过采用上述技术方案，本技术优选了碳纤维布在负载碳纤维静电纺丝层之后的增重率，使得碳纤维静电纺丝层能够更加充分地实现对coni2s4、纳米硒化钴和黑磷纳米片的负载，有助于提高电催化剂的电催化转化效率。

7、作为优选，所述碳纤维布在负载碳纤维静电纺丝层之后的增重率为6.5-8.2wt％。

8、通过采用上述技术方案，本技术优选了碳纤维布在负载碳纤维静电纺丝层之后的增重率，有助于充分提高电催化剂的电催化转化效率。

9、作为优选，所述coni2s4在碳纤维静电纺丝层表面的负载量为11-13mg/cm2。

10、通过采用上述技术方案，本技术优选了coni2s4在碳纤维静电纺丝层表面的负载量，有助于提高电催化剂的电催化转化效率。

11、作为优选，所述碳纤维布在负载碳纤维静电纺丝层之后的增重率为8.2％，所述coni2s4在碳纤维静电纺丝层表面的负载量为13mg/cm2。

12、通过采用上述技术方案，本技术同时优选了碳纤维布在负载碳纤维静电纺丝层之后的增重率和coni2s4在碳纤维静电纺丝层表面的负载量，有助于充分提高电催化剂的电催化转化效率。

13、作为优选，所述纳米硒化钴在每平方厘米碳纤维静电纺丝层表面的负载量为2.48-2.85mg。

14、通过采用上述技术方案，本技术优选了纳米硒化钴在每平方厘米碳纤维静电纺丝层表面的负载量，有助于提高电催化剂的电催化转化效率。

15、作为优选，所述黑磷纳米片在每平方厘米碳纤维静电纺丝层表面的负载量为2.16-2.57mg。

16、通过采用上述技术方案，本技术优选了黑磷纳米片在每平方厘米碳纤维静电纺丝层表面的负载量，有助于提高电催化剂的电催化转化效率。

17、作为优选，所述负载物在碳纤维静电纺丝层表面的负载顺序先后依次为：纳米硒化钴、黑磷纳米片、coni2s4。

18、通过采用上述技术方案，按照上述顺序进行负载物的负载时，纳米硒化钴和黑磷纳米片能够在一定程度上增大碳纤维静电纺丝层表面的粗糙度，有助于充分增加coni2s4的负载量。

19、第二方面，本技术提供一种用于全解模拟海水的纳米电催化剂的制备方法，采用如下的技术方案。

20、一种用于全解模拟海水的纳米电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

21、(1)将六水氯化镍、六水氯化钴和硫脲混合，并置于120-150℃油浴中，经过搅拌后得到离子液体，备用；将聚丙烯腈加入二甲基甲酰胺中溶解，得到纺丝液，备用；将黑磷纳米片加入乙醇中进行超声分散，得到黑磷分散液，备用；将纳米硒化钴加入乙醇中进行超声分散，得到硒化钴分散液，备用；

22、(2)以碳纤维布作为接收板，以纺丝液作为原料进行静电纺丝，纺丝结束并经过烘干后，在氮气氛围下对纺丝所得物进行热解碳化处理，得到基体；

23、(3)对基体进行洗涤，并加入硝酸溶液中在120-150℃条件下加热2-4h，取出烘干后将硒化钴分散液喷涂到碳纤维静电纺丝层表面，经过干燥后即可实现硒化钴的负载，继续将黑磷分散液滴加到改性碳纤维静电纺丝层表面，经过干燥即可实现黑磷纳米片的负载；

24、(4)将基体和离子液体共同置于内壁涂覆有聚四氟乙烯涂层的不锈钢高压釜中，在150-250℃加热2-10h，然后进行冷却，并进行洗涤和干燥，得到用于全解模拟海水的纳米电催化剂。

25、通过采用上述技术方案，本技术通过静电纺丝的方式将聚丙烯腈材质的纤维负载到了碳纤维布表面，然后通过碳化处理使聚丙烯腈纤维转化为碳纤维，得到了负载于碳纤维布表面的碳纤维静电纺丝层。之后，通过先后将纳米硒化钴和黑磷纳米片负载到碳纤维静电纺丝层表面，再在密闭条件下的离子液体中对负载有纳米硒化钴和黑磷纳米片的基体进行加热处理，使coni2s4在基体表面发生生长，从而得到了用于全解模拟海水的纳米电催化剂。

26、作为优选，所述六水氯化镍、六水氯化钴和硫脲按照(27-33):(9-11):(12-18)的摩尔比混合。

27、通过采用上述技术方案，能够在碳纤维静电纺丝层表面实现coni2s4的负载。

28、综上所述，本技术具有以下有益效果：

29、1、通过按照本技术的方式进行电催化剂的组装，在coni2s4、纳米硒化钴和黑磷纳米片的共同作用下，电催化剂能够具备更高的电催化转化效率，有助于克服天然海水自身的特性对电解造成的干扰，可适用于全解模拟海水中。

30、2、本技术电催化剂制备方法简单、方便，在没有使用粘合剂的情况下，coni2s4直接结合在基体表面，为电极提供了低接触电阻，促进了her和oer电解过程中的电荷转移，达成同样电流密度所需的过电位比市售同类型产品更低，表现出优异的her和oer活性