一种制备电解水催化剂材料的方法与流程

本发明属于催化材料制备，具体涉及一种制备电解水催化剂材料的方法。

背景技术：

1、随着人类社会的快速发展，能源的消耗不断增加，传统化石燃料的储量将日益减少，而氢能作为一种清洁能源，可以有效解决相应的能源问题。电解水制氢是生产高纯氢的重要方法，而电解水制氢反应包括两个半反应，阴极析氢反应和阳极析氧反应，现有技术下，阴极催化剂多选用贵金属pt，阳极催化剂多选用贵金属ir，贵金属的选取提升了催化剂的使用成本。因此，降低催化剂成本，探索非贵金属替代贵金属是目前研究热点之一。

2、再者，现有的电解水催化剂往往只针对其中一个半反应展现出较优异的特性，而这大大影响了其在工业领域中的应用潜力，开发适用于电解水的双功能催化剂也是关键之一。

3、最后，现有的催化剂制备方法多采用化学溶液法，其制备过程复杂，且制备过程中不可避免会产生较多的化学废液，导致环境污染，因此开发一种简便、性能良好、可大规模推广的电解水双功能催化剂及其制备方法是水电解制氢技术的关键。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种制备电解水催化剂材料的方法。该方法通过将经氧化修饰的炭黑b与含金属离子的混合溶液a混合干燥后进行高温热处理，获得炭黑包覆金属纳米颗粒的电解水催化剂材料，有效防止了电解反应时金属纳米颗粒的团聚，使得电解水催化剂材料具有良好的结构稳定性，进而提高了其催化稳定性，且制备方法简便环保，解决了电解水反应过程中高活性纳米金属粒子团聚抑制的结构性问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、将含金属离子的原料加入去离子水中溶解并搅拌均匀，得到混合溶液a；

4、步骤二、将高锰酸钾溶解于去离子水中，并加入盐酸，搅拌均匀后加入炭黑并加热，经过滤得到经修饰的炭黑b；

5、步骤三、将步骤一中得到的混合溶液a和步骤二中得到的经修饰的炭黑b混合后搅拌均匀，得到混合溶液c；

6、步骤四、采用雾化干燥处理步骤三中得到的混合溶液c，得到粉末d；

7、步骤五、在氢氩混合气氛下对步骤四中得到的粉末d进行高温热处理，得到粉末e；

8、步骤六、将步骤五中得到的粉末e洗涤、干燥后得到电解水催化剂材料。

9、本发明首先将可溶性的含金属离子的原料溶于水中得到含金属离子的前驱体混合溶液即混合溶液a，同时将高锰酸钾、盐酸溶于水中搅匀并加入炭黑加热，从而对炭黑进行氧化修饰，增加了炭黑在水中的浸润性，提升其分散均一性；然后将混合溶液a与经修饰的炭黑b混匀进行雾化干燥处理，得到金属前驱体粉末即粉末d，再将粉末d在氢氩混合气氛下进行高温热处理，使得金属前驱体粉末分解产生金属纳米颗粒，而炭黑b保持形貌不变并包裹在金属纳米颗粒周围，形成包覆结构，得到炭黑包覆金属纳米颗粒的粉末e，经洗涤除杂和干燥，得到电解水催化剂材料。

10、上述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤一中所述金属离子为铁、钴、镍和锌中两种以上的离子，所述含金属离子的原料选自硝酸盐、盐酸盐、醋酸盐。该优选的含金属离子的原料可高温分解且无其它金属离子残留。通常，含金属离子的原料种类尽量相同。

11、上述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤二中所述炭黑的平均粒径为20nm～150nm，步骤一中所述含金属离子的原料中金属离子与步骤二中所述炭黑的质量比为0.1～1:1。本发明通过限定炭黑的粒径，以有效控制电解水催化剂材料中金属纳米粒子的粒径大小。

12、上述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤三中所述混合溶液c中金属离子的总浓度为0.1g/l～1g/l。通过限定金属离子的总浓度，避免总浓度过大不利于形成金属纳米结构，以及总浓度过小，获得的金属纳米颗粒量太少、制备效率太低的难题。

13、上述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤五中所述高温热处理的温度为300℃～700℃，时间为1h～4h。该高温热处理的温度及时间有利于含金属离子的原料的充分分解。

14、上述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤六中所述电解水催化剂材料具有炭黑包覆金属纳米颗粒的包覆结构，且金属纳米颗粒的平均粒径小于10nm。

15、本发明与现有技术相比具有以下优点：

16、1、本发明采用经修饰的炭黑b与含金属离子的混合溶液a混合干燥后进行高温热处理，获得炭黑包覆金属纳米颗粒的电解水催化剂材料，该包覆结构有效防止了电解反应时电解水催化剂材料中具有催化活性的金属纳米颗粒的团聚，使得电解水催化剂材料具有良好的结构稳定性，进而提高了其催化稳定性。

17、2、相比于传统电解水催化剂，本发明方法制备的电解水催化剂材料中可实现各金属纳米颗粒原子级别的共混，有利于增强原子间协同作用，增强催化反应活性，从而该电解水催化剂材料为双功能催化剂，兼具析氧和析氢性能，提升了催化剂材料的使用潜力。

18、3、相比于传统化学制备方法，本方法的制备方法更简便、快捷，易于放大，且产生废液少，更环保。

19、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤一中所述金属离子为铁、钴、镍和锌中两种以上的离子，所述含金属离子的原料选自硝酸盐、盐酸盐、醋酸盐。

3.根据权利要求1所述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤二中所述炭黑的平均粒径为20nm～150nm，步骤一中所述含金属离子的原料中金属离子与步骤二中所述炭黑的质量比为0.1～1:1。

4.根据权利要求1所述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤三中所述混合溶液c中金属离子的总浓度为0.1g/l～1g/l。

5.根据权利要求1所述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤五中所述高温热处理的温度为300℃～700℃，时间为1h～4h。

6.根据权利要求1所述的一种制备电解水催化剂材料的方法，其特征在于，步骤六中所述电解水催化剂材料具有炭黑包覆金属纳米颗粒的包覆结构，且金属纳米颗粒的平均粒径小于10nm。

技术总结
本发明公开了一种制备电解水催化剂材料的方法，该方法包括：一、将含金属离子的原料加入去离子水中溶解搅匀，得到混合溶液A；二、将高锰酸钾溶解于去离子水中并加入盐酸，搅匀后加入炭黑并加热，经过滤得到经修饰的炭黑B；三、将混合溶液A和经修饰的炭黑B混合后搅匀，得到混合溶液C；四、采用雾化干燥处理混合溶液C，得到粉末D；五、在氢氩混合气氛下对步骤四中得到的粉末D进行高温热处理，得到粉末E；六、将粉末E洗涤、干燥后得到电解水催化剂材料。本发明获得炭黑包覆金属纳米颗粒的催化剂材料具有良好的结构稳定性和催化稳定性，且为双功能催化剂，制备方法简便环保，易于放大，且产生废液少，更环保，适用于电解水领域。

技术研发人员：张卜升,赵盘巢,郭俊秋,皮和木
受保护的技术使用者：西北有色金属研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16