一种用于电解水制氢的催化剂及其制备方法、应用与流程

本发明涉及一种用于电解水制氢的催化剂及其制备方法、应用，属于电化学领域。

背景技术：

1、氢能作为一种能量密度高、零排放可再生的绿色新能源，是解决目前能源危机和环境污染的重要方式之一。电解水制氢装置简单，容易搭制，能源转化率高，是工业化制氢的重要选择。然而，电解水过程中具有一定的热力学势垒，能量消耗大，投入实际生产过程中生产效率低，用电成本高，因此电解过程需要依靠催化剂破除热力学势垒。

2、目前，商用pt/c催化剂电极和iro2/ruo2催化剂电极被认为是对于电解水制氢性能较好的材料，但成本高、稀缺性等问题限制了这类材料大规模的开发和使用。因此，设计合成非贵金属基催化剂材料至关重要，其中镍铁基催化剂因成本低、原料丰富受到大量关注。

3、然而目前常用的镍铁基催化剂存在催化速率较慢、稳定性较差的问题，在控制成本的同时探索催化速率快、稳定性好的催化剂成为亟待解决的行业问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于电解水制氢的催化剂，该催化剂组成简单，具有较好的稳定性，催化效率高，且成本较低。

2、本发明还提供一种催化剂的制备方法，该方法能够制备得到上述催化剂，而且该方法工艺简单，操作简易。

3、本发明还提供一种电极，该电极包括上述催化剂，因此该电极制备氢气速率高，具有较高稳定性。

4、本发明还提供一种电解装置，该电解装置包括上述电极，能够高效制备氢气。

5、本发明还提供一种电解水制氢的方法，该方法采用上述催化剂，提高了电解水制氢的效率，降低成本。

6、本发明提供了一种用于电解水制氢的催化剂，所述催化剂包括碳纳米纤维载体以及负载于所述碳纳米纤维载体的nixy合金，其中x为fe、co中的一种，y为pt、ir、ru中的一种；ni、x、y之间的摩尔比为2-4：1：0.1-0.3。

7、如上所述的催化剂，所述x为fe，y为pt，ni、x、y之间的摩尔比3：1：0.1。

8、如上所述的催化剂，所述催化剂中碳纳米纤维的质量百分比为60％-70％。

9、如上所述的催化剂，所述催化剂的孔隙率为20-50％。

10、本发明还提供了一种如上所述的催化剂的制备方法，包括以下步骤：

11、1)将金属盐物质溶于有机溶剂中分散，得到混合液；

12、2)向所述混合液中加入pvp，搅拌12-24h，得到前驱体溶液；

13、3)将所述前驱体溶液转移至注射器中，设置工作电压为10-15kv，所述注射器针头与收集器的距离为10-15cm，进行静电纺丝，得到丝状产物，干燥得到前驱体；

14、4)在h2/ar气氛下，升温至热处理温度为450-600℃，热处理时间为60-120min，随后冷却至室温，得到所述催化剂；

15、其中，所述金属盐物质包括镍源，铁源或钴源中的一种，铂源、铱源、金源中的一种。

16、如上所述的制备方法，步骤2)中，所述前驱体溶液中pvp浓度为0.15-0.25g/ml，金属离子浓度为0.13-0.21mmol/ml。

17、如上所述的制备方法，步骤4)中，所述热处理温度为500-550℃，热处理时间为80-100min。

18、本发明还提供了一种电极，包括如上所述催化剂或采用如上所述的制备方法制备得到的催化剂。

19、本发明还提供了一种电解装置，包括如上所述的催化剂或采用上述电极。

20、本发明还提供了一种电解水制氢的方法，所述方法采用了如上所述的催化剂。

21、本发明的催化剂以碳纳米纤维负载按照特定摩尔比配制的合金，能够降低反应的活化能，在较低的过电势下实现高效的电解水制氢反应，从而有效电解水制氢的效率，且具有较高的稳定性，降低电解水制氢反应成本，有利于实际应用。

22、本发明催化剂的制备方法制备流程短，工艺操作简单，可重复性强，极大节约了催化剂制备的时间成本和经济成本。

23、本发明的电极具有上述催化剂，因此能够显著提高电解水制氢的反应效率，降低所需的能量输入。

24、本发明的电解装置具有上述电极，因此显著提高了电解过程的效率，具有较高的氢气产率。

25、本发明的电解水制氢的方法采用上述催化剂，因此该方法高效便捷，有利于工业化推广。

技术特征：

1.一种用于电解水制氢的催化剂，其特征在于，所述催化剂包括碳纳米纤维载体以及负载于所述碳纳米纤维载体的nixy合金，其中x为fe、co中的一种，y为pt、ir、ru中的一种；ni、x、y之间的摩尔比为2-4：1：0.1-0.3。

2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述x为fe，y为pt，ni、x、y之间的摩尔比3：1：0.1。

3.根据权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂中碳纳米纤维的质量百分比为60％-70％。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂的孔隙率为20-50％。

5.一种权利要求1-4任一项所述的催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述前驱体溶液中pvp浓度为0.15-0.25g/ml，金属离子浓度为0.13-0.21mmol/ml。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述热处理温度为500-550℃，热处理时间为80-100min。

8.一种电极，其特征在于，包括权利要求1-4中任意一项所述催化剂的或采用权利要求5-7中任意一项所述的制备方法制备得到的催化剂。

9.一种电解装置，其特征在于，包括权利要求1-4中任意一项所述的催化剂或采用权利要求8所述的电极。

10.一种电解水制氢的方法，其特征在于，所述方法采用了权利要求1-4中任意一项所述的催化剂。

技术总结本发明提供了一种用于电解水制氢的催化剂及其制备方法、应用，所述催化剂包括碳纳米纤维载体以及负载于所述碳纳米纤维载体的NiXY合金，其中X为Fe、Co中的一种，Y为Pt、Ir、Ru中的一种；Ni、X、Y之间的摩尔比为2‑4：1：0.1‑0.3。本发明提供的催化剂具有较高的催化速率和稳定性，能够显著提高电解水制氢的反应速率，降低反应成本。技术研发人员：张帅,贾鹏鹏,贾珂意,张洲,雷子恒受保护的技术使用者：山西迎润新能源有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/20