金属-生物质碳异质结型电解水催化剂的制备方法及应用

本发明涉及析氢电催化剂，尤其是一种木质素碳基负载过渡金属m的异质结析氢电催化剂的制备方法。

背景技术：

1、目前，随着能源需求的增加和环境问题的日益严重，开发高效、可持续的能源转化和利用技术已成为全球研究的热点之一。其中，氢气作为一种清洁、高效、可再生的能源，备受关注。贵金属析氢电催化剂是一种高效的催化剂，能够有效促进析氢反应，降低反应所需过电势。但是，贵金属催化剂的高成本和稀缺性是制约其大规模应用的主要问题。因此，开发低成本、高效的替代催化剂材料，将是氢气制备领域的研究重点之一。非贵金属催化剂是一种新型的催化剂材料，具有成本低、资源丰富等优点，然而其相对于贵金属催化剂，催化活性低。

技术实现思路

1、技术问题：针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种金属-生物质碳异质结型电解水催化剂、制备方法及应用，目的是提高木质素碳基负载过渡金属的异质结析氢电催化剂的催化活性，从而提高析氢性能。

2、技术方案：

3、为解决上述技术问题，本发明首先提供金属-生物质碳异质结型电解水催化剂的制备方法，包括：

4、由木质素碳基与过渡金属硝酸盐，得到混合物前驱体；

5、将混合物前驱体在惰性气氛下高温煅烧，得到高温煅烧产物；

6、将获得的高温煅烧产物，在次亚磷酸钠为磷源的条件下，加热制备得到存在过渡金属和过渡金属磷化物晶格交叉形成的异质结结构的异质结析氢电催化剂。

7、本发明还提供一种采用所述木质素碳基负载过渡金属的异质结析氢电催化剂的制备方法制备的异质结析氢电催化剂。

8、本发明还提供一种所述异质结析氢电催化剂在氢气制备中的应用。

9、木质素碳基负载过渡金属的异质结析氢电催化剂，所述催化剂为具有异质结结构的核壳状催化剂，异质结主要成分为过渡金属m及其磷化物且多存在于核壳交界面处。

10、本发明方案，以木质素为碳基的异质结结构的析氢催化剂，不仅有效的实现了木质素的资源化利用，提高电子迁移速率，而且异质结结构的存在有效调节了电子结构分布，改善h2吸附/解析能，从而提高了催化活性。

11、本发明所述木质素碳基负载过渡金属m的异质结析氢电催化剂的纳米颗粒平均直径约为400nm，异质结结构明显存在。同时，催化剂10ma/cm2、100ma/cm2时的过电势分别为150mv和210mv，tafel斜率为86mv/dec。

12、有益效果：

13、本发明利用成本低廉的木质素和过渡金属硝酸盐，通过碳热还原+后磷化的方法制备了具有异质结结构的高催化活性的析氢催化剂，既可以完成木质素的资源化利用，同时也能够制备出高性能的非贵金属析氢电催化剂。相比于目前多数的生物质基非金属析氢催化剂，本发明的木质素碳基过渡金属异质结催化剂，由于异质结结构的形成，调节了电子结构b并优化了d带中心位置，优化了h2的吸附/解析能，从而提高了析氢性能。

14、本发明引入次亚磷酸钠作为磷源与木质素碳基负载的过渡金属进行气固反应，也就是次亚磷酸钠受热分解产生ph3随后和co接触反应生成co2p，这种方法较其它磷源几乎不引入其它杂质，不用酸洗即可生成磷化物，提高了催化活性。

15、本发明在木质素碳基的制备中引入活性剂，丰富了木质素碳基的孔隙结构，增加了木质素碳基负载过渡金属异质结析氢电催化剂的比表面积和孔隙率，从而促进材料的电子传输，提高了催化性能。

技术特征：

1.一种金属-生物质碳基异质结型电解水催化剂的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的木金属-生物质碳基异质结型电解水催化剂的制备方法，其特征在于，由木质素碳基与过渡金属硝酸盐得到混合物前驱体的步骤为：

3.根据权利要求2所述的金属-生物质碳基异质结型电解水催化剂的制备方法，其特征在于，过渡金属硝酸盐为硝酸铁、硝酸钴或硝酸镍；木质素碳基与硝酸铁、硝酸钴和硝酸镍的质量比分别为1:4、1:3和1:3。

4.根据权利要求1所述的金属-生物质碳基异质结型电解水催化剂的制备方法，其特征在于，将获得的高温煅烧产物，在次亚磷酸钠为磷源的条件下，加热制备得到异质结析氢电催化剂的步骤为：

5.根据权利要求4所述的金属-生物质碳基异质结型电解水催化剂的制备方法，其特征在于，以亚次磷酸钠为磷源，放置在管式炉的上风口，将高温煅烧产物放置在下风口，两者相距2～3cm，在惰性气氛下升温磷化，冷却后获得所述异质结析氢电催化剂。

6.根据权利要求1所述的金属-生物质碳基异质结型电解水催化剂的制备方法，其特征在于，将混合物前驱体在惰性气氛下高温煅烧，得到高温煅烧产物步骤中，高温煅烧的温度为700～900℃，持续时间为1～2小时。

7.根据权利要求1-6任一所述的金属-生物质碳基异质结型电解水催化剂的制备方法，其特征在于，所述木质素为碱木质素、脱碱木质素、木质素磺酸钠中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的金属-生物质碳基异质结型电解水催化剂的制备方法，其特征在于，木质素碳基的制备步骤包括：

9.一种异质结析氢电催化剂，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述金属-生物质碳基异质结型电解水催化剂的制备方法制备。

10.权利要求9所述的异质结析氢电催化剂在氢气制备中的应用。

技术总结
本发明涉及一种金属‑生物质碳异质结型电解水催化剂、制备方法及应用，其中异质结析氢催化剂的制备方法包括：由木质素碳基与过渡金属硝酸盐，得到混合物前驱体；将混合物前驱体在惰性气氛下高温煅烧，得到高温煅烧产物；将获得的高温煅烧产物，在次亚磷酸钠为磷源的条件下，加热制备得到存在过渡金属和过渡金属磷化物晶格交叉形成的异质结结构的异质结析氢电催化剂。与现有技术相比，本发明异质结催化剂的制备方法，既可以实现木质素的资源化利用，同时也能够制备出低成本高性能的非贵金属析氢电催化剂。为解决非贵金属析氢电催化剂性能较差，提供了新方案。

技术研发人员：沈德魁,李建飞,王启昌
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31