一种单原子铂负载过渡金属磷化物析氢催化剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于在泡沫镍上原位生长过渡金属磷化物并负载单原子铂的(Pt

背景技术

随着我国综合国力的日益增强，在不同行业都取得突破和进展的同时，能源枯竭的问题逐渐不容人们忽视。而当下全球也正面临能源危机，若化石燃料耗尽，中国也将首当其冲。因此，我国在过去很长一段时间内就已将新能源的发展作为国家可持续发展的重点。目前国内已经开始大力推动新能源有关的研究，将为世界展现出中国对于解决世界环境问题以及能源问题的能力和应担当的责任。氢能作为清洁、高效、安全、可持续的二次能源，可为传统工业提供深度脱碳，可作为实现碳中和的主要路径。以太阳能光伏、风电、水电等各种可再生能源发电制备的“绿色氢”是可能取代传统化石能源的终极能源。

电解水是一种有效地实现无碳排放产氢的方法，它涉及两个反应，即析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。这两种反应都需要有效的电催化剂来降低电催化过电位，对于HER反应，该反应包括两电子转移步骤和较高的能量势垒。鉴于HER催化剂的快速发展，其中部分催化剂甚至表现出比基准商业化20％铂炭催化剂更好的性能，因此探索高效的HER催化剂非常重要。

近年来，在析氢电催化剂领域中，一些过渡金属磷化物、氮化物、硒化物和碳化物等都相继被开发用作HER催化剂，但这些物质的催化活性与铂始终存在明显差距，短期内铂仍不可被替代。因此，如何进一步提升铂的活性并降低铂的用量成为未来研究的主要方向。单原子催化剂的出现为解决这一问题提供了新的思路。单原子催化剂是负载型催化剂分散程度的极限，可以最大程度地发挥贵金属的催化效率，降低制造成本。其中，催化剂的活性和稳定性极大地阻碍“绿色氢”的发展。前期研究证明单原子铂与不同载体之间存在电子交换，从而提高铂的本征催化活性和大幅度降低铂用量。

因此，该发明研究了一种利用泡沫镍合成铂负载过渡金属磷化物一体化材料的方法，该材料在调控金属磷化物结构和形貌的同时建立铂负载量、化学组成和析氢性能的关系，在电催化剂材料中的应用方面具有制备简单、性能好、稳定性好的特点。本发明不仅能够揭示铂与过渡金属磷化物之间作用机制，而且对负载型Pt催化剂在高效制备“绿色氢”的实际应用具有重要的意义。

发明内容

针对目前过渡族金属析氢电催化剂材料的研究基础，本发明提出了一种利用泡沫镍(Ni foam,NF)、六水硝酸镍(Ni(NO

一种单原子铂负载过渡金属磷化物析氢催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备Ni(OH)

原位生长Ni(OH)

上述前驱体溶液优选为：每4mmol的六水硝酸镍(Ni(NO

(2)还原磷化

将上述Ni(OH)

(3)电沉积Pt单原子

使用经典的三电极测试系统实现单原子Pt的负载，工作电极为上述Ni

本发明所得催化剂的优点：采用非粉末基析氢催化剂，制备过程不需要增加导电炭黑和粘结剂；构造阵列实现单原子Pt的稳定负载，暴露更多催化反应活性位点，提升催化性能的同时提高催化剂的利用率；采用过渡金属磷化物材料，该材料具有可调的电子结构，多变的组分构成以及高的导电性，可提升催化剂的效率；采用商业化的泡沫镍(Ni foam,NF)作为基体，进一步降低材料的成本。

附图说明

图1本发明制备的四种Pt

图2本发明实施例3对应循环300次制备的Pt

图3本发明实施例3对应循环300次制备的Pt

图4本发明制备的多种电催化析氢材料的LSV图，其中Pt

图5本发明制备的多种电催化析氢材料的TAFEL图，其中Pt

图6本发明制备的多种电催化析氢材料的EIS图，其中Pt

图7本发明制备的多种电催化析氢材料的ECSA图，其中Pt

图8本发明实施例1制备的Pt

图9本发明实施例3对应循环300次制备的Pt

图10本发明制备的不同磷化温度的Pt

图11本发明制备的不同Pt电沉积负载量的Pt

图12本发明制备的不同类型的载体负载单原子Pt(实施例3对应不同的循环次数)材料的LSV对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，但不限于此。

实施例1

(1)在超声作用下，将一块镍泡沫(1×5cm

(2)将上述Ni(OH)

(3)使用经典的三电极测试系统实现单原子铂的负载，工作电极为上述Ni

(4)将上述Pt

实施例2

(1)在超声作用下，将一块镍泡沫(1×5cm

(2)将上述Ni(OH)

(3)使用经典的三电极测试系统实现单原子铂的负载，工作电极为上述不同磷化温度制备的Ni

(4)将上述Pt

实施例3

(1)在超声作用下，将一块镍泡沫(1×5cm

(2)将上述Ni(OH)

(3)使用经典的三电极测试系统实现单原子铂的负载，工作电极为上述Ni

实施例4(不同类型的载体，氧化镍、氢氧化镍、硫化镍)

(1)在超声作用下，将一块镍泡沫(1×5cm

(2)将上述Ni(OH)

(3)使用经典的三电极测试系统实现单原子Pt的负载，工作电极为上述Ni

(4)将上述Pt