一种水分解过渡金属催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于水分解电催化，具体涉及一种水分解过渡金属催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氢气燃烧仅产生水，不会对环境造成任何的污染，如果氢气可以有效廉价的生产出来，那么氢气将会被认为是未来最有希望的可再生清洁能源。此外，氢气比常规化石能源更有效，每单位质量的氢气燃烧时产生的能量将会达到汽油的2.5倍以上。电解水反应是水分解制氢的重要方法，其能够分为两部分，分别是氧气析出反应（oer）， 这个是阳极反应；氢气析出反应（her），这个是阴极反应。但是这些反应动力学缓慢，需要在高效催化剂的催化作用下进行。过渡金属基电催化剂因为资源丰富、成本较低，同时拥有与贵金属相当的催化性能而备受关注。目前，基于过渡金属的电催化剂已经被广泛探索，以取代传统的高活性电催化材料如铱和钌。

2、目前，过渡金属(ni，co，fe，mn等)与氮共掺杂的碳质材料是最有开发潜力的催化剂之一。现有技术已经证明，双金属氮掺杂复合材料的催化活性比单金属氮掺杂复合材料好，说明双金属的复合明显提高了单金属催化剂的活性；而碳材料的包覆，则可以提高催化剂的稳定性。

3、但是，与此同时，包覆层的过度增厚又会导致原本暴露的活性位点被覆盖，从而减少反应物与活性中心的接触机会，导致催化剂的催化活性降低。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种水分解过渡金属催化剂及其制备方法和应用，显著提高了制得水分解过渡金属催化剂的催化活性。

2、为了实现上述目的，第一方面的，本发明提供一种水分解过渡金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：

3、s1、将14.7g硝酸钴和14.85g硝酸镍溶于150ml水中，得溶液a；将20.95g的1，2，4-三氮唑、10.7g均苯三甲酸、20g聚乙烯吡咯烷酮溶于550ml的n，n一二甲基甲酰胺中，得溶液b；

4、s2、将s1所得溶液a滴加至溶液b中，再加入2.3g修饰型造孔剂，搅拌30min后，转移至烧瓶中，90℃回流4 h后，真空抽滤，用二甲基甲酰胺洗涤3次，干燥，研磨，得co-ni前驱体粉末；

5、s3、将s2所得co-ni前驱体粉末在氮气气氛中经高温煅烧后，冷却至室温，用乙醇和水分别离心洗涤3次，室温下干燥，得co-ni-nc镂空包覆物；

6、s4、取7.5g的s3所得co-ni-nc镂空包覆物和5.3g二甲基咪唑，分散到2000ml二甲基甲酰胺中，超声30min后，置于三口烧瓶中，80℃回流4h，用二甲基甲酰胺离心洗涤2-4次后，干燥，即得所述水分解过渡金属催化剂。

7、进一步的，所述修饰型造孔剂的制备方法如下：

8、a1、将聚乙二醇、丁二酸酐和有机溶剂加入到反应瓶中，通氮气搅拌使固体溶解，聚乙二醇与丁二酸酐的摩尔比为1：（1-1.3）；

9、a2、加入三乙胺，控温在65-75℃，反应2-3h，所述聚乙二醇和三乙胺的用量比为1g：（3-5）ml；

10、a3、反应完成后，减压浓缩有机溶剂，将浓缩液滴入冰乙醚沉淀，固体用乙醚洗涤，干燥，即得修饰型造孔剂。

11、进一步的，聚乙二醇为peg1500。

12、进一步的，所述有机溶剂包括二氯甲烷和/或三氯甲烷。

13、进一步的，所述有机溶剂的用量为聚乙二醇和丁二酸酐的质量之和的2-5倍。

14、进一步的，s2中，所述干燥的具体操作为：在烘箱内60-70℃干燥20-24h。

15、进一步的，s3中，所述高温煅烧的具体操作为：700-900℃煅烧160-180min。

16、第二方面的，本发明提供一种水分解过渡金属催化剂，采用上述的制备方法制得。

17、第三方面的，本发明提供一种水分解过渡金属催化剂的应用，所述水分解过渡金属催化剂采用上述的制备方法制得，其用于电解分解水中。

18、本申请具有以下有益效果：

19、本发明以硝酸钴和硝酸镍为原料，引入co-ni合金结构，能够提供丰富的活性位点，从而增强对水分解反应的催化活性；使用1，2，4-三氮唑和均苯三甲酸等有机配体，经高温处理，可形成氮掺杂的碳材料，有效稳定co-ni合金结构并防止其在反应过程中聚集，避免影响催化活性；通过添加修饰型造孔剂并经高温煅烧，有助于形成多孔的co-ni-nc镂空包覆结构，从而暴露更多的活性位点，并利于与二甲基咪唑结合，可原位生长，降低过电势，进一步增强催化活性。

20、2、修饰型造孔剂的制备中，使用丁二酸酐引入的羧酸基团可以为聚乙二醇提供额外的锚定位点，用于与co-ni合金结构形成更多更稳定的配合物，以便后续经高温煅烧后形成更多更为均质的孔隙结构，更利于与二甲基咪唑结合，进而增强制得催化剂的催化活性。

技术特征：

1.一种水分解过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的水分解过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，聚乙二醇为peg1500。

3.根据权利要求1或2所述的水分解过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂包括二氯甲烷和/或三氯甲烷。

4.根据权利要求1或2所述的水分解过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂的用量为聚乙二醇和丁二酸酐的质量之和的2-5倍。

5.根据权利要求1所述的水分解过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，s2中，所述干燥的具体操作为：在烘箱内60-70℃干燥20-24h。

6.根据权利要求1所述的水分解过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，s3中，所述煅烧的具体操作为：700-900℃煅烧160-180min。

7.一种水分解过渡金属催化剂，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的制备方法制得。

8.一种水分解过渡金属催化剂的应用，其特征在于，所述水分解过渡金属催化剂采用如权利要求1-6任一项所述的制备方法制得，其用于电解分解水中。

技术总结本发明提供了一种水分解过渡金属催化剂及其制备方法和应用，该制备方法包括步骤：S1、将硝酸钴和硝酸镍溶于水中，得溶液A；将1，2，4‑三氮唑、均苯三甲酸、聚乙烯吡咯烷酮溶于N，N一二甲基甲酰胺中，得溶液B；S2、将溶液A滴加至溶液B中，再加入修饰型造孔剂，搅拌，转移至烧瓶中，90℃回流4 h后，真空抽滤，用二甲基甲酰胺洗涤，干燥研磨，得Co‑Ni前驱体粉末；S3、将Co‑Ni前驱体粉末在氮气气氛中经煅烧后，冷却至室温，用乙醇和水分别离心洗涤，干燥，得Co‑Ni‑NC镂空包覆物；S4、取Co‑Ni‑NC镂空包覆物和二甲基咪唑分散到二甲基甲酰胺中，超声，80℃回流4h，用二甲基甲酰胺离心洗涤，干燥，即得。本发明显著提高了制得水分解过渡金属催化剂的催化活性。技术研发人员：于伟彬,孙魄,叶明富受保护的技术使用者：安徽先材科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9