光电双催化析氢催化剂及制备方法和膜电极、氢燃料电池与流程

本申请属于析氢催化剂，尤其涉及光电双催化析氢催化剂及制备方法和膜电极、氢燃料电池。

背景技术：

1、目前，铂(pt)基纳米材料是析氢反应(her)最先进的电催化剂，但由于成本高和自然资源匮乏，它们的大规模应用受到严重阻碍，因此，迫切需要为her寻找高性能、低成本的催化剂。

2、含有较便宜贵金属的非铂贵金属磷化物可提供解决方案，在所有的非铂贵金属中，钌(ru)是最有希望的一种，因为它的成本相对较低(～4％的铂)和固有的高催化活性，然而磷化钌等析氢催化性能有待提高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供了一种光电双催化析氢催化剂及制备方法和膜电极、氢燃料电池，用于解决现有技术中磷化钌等析氢催化性能有待提高的技术问题。

2、本申请第一方面提供了一种光电双催化析氢催化剂，所述光电双催化析氢催化剂包括铜纳米线和磷化钌纳米颗粒；

3、所述磷化钌纳米颗粒与铜纳米线复合构成cu-rup异质结构。

4、优选的，所述光电双催化析氢催化剂中铜纳米线和磷化钌纳米颗粒的质量比为8～50:50～92。

5、优选的，所述光电双催化析氢催化剂中铜纳米线和磷化钌纳米颗粒的质量比为19:81。

6、优选的，所述铜纳米线的直径为100-200nm，长度为1000～3000nm；

7、所述rup纳米颗粒的粒径为50～100nm。

8、本申请第二方面提供了一种光电双催化析氢催化剂，制备方法包括步骤：

9、步骤s1、将铜纳米线进行酸浸预处理，得到预处理铜纳米线；

10、步骤s2、将预处理铜纳米线洗涤、干燥后分散在溶剂中，得到铜纳米线溶液；

11、步骤s3、将铜纳米线溶液和rup纳米颗粒溶液搅拌混合后离心，磷化钌纳米颗粒与铜纳米线复合构成cu-rup异质结构，得到光电双催化析氢催化剂。

12、优选的，步骤s1中，所述酸浸预处理的时间为10～50min。

13、优选的，所述酸浸预处理所用的酸为盐酸、硝酸、硫酸以及次氯酸中的任意一种或至少两种。

14、优选的，步骤s1中，所述酸浸预处理的时间为30min。

15、所述盐酸溶液的质量浓度为20％。

16、优选的，步骤s3中，所述搅拌混合的时间为12～36h；

17、离心转速为8000～12000r/min，所述离心的时间为2～5min。

18、优选的，步骤s3中，所述搅拌混合的时间为24h；

19、离心转速为10000r/min，所述离心的时间为3min。

20、优选的，步骤s1中，所述铜纳米线的制备方法包括步骤：

21、步骤s1.1、将铜源、保护剂溶解在碱溶液中，静置反应1h，得到预反应铜溶液；

22、步骤s1.2、将还原剂滴加到预反应铜溶液中进行还原反应，得到还原后铜溶液；

23、步骤s1.3、将还原后铜溶液第一离心处理、酸浸处理、第二离心处理，得到铜纳米线。

24、优选的，步骤s1.1中，所述铜源包括cu(no3)2、cucl2、cu(oac)2和cuso4中的任意一种或至少两种；

25、所述保护剂包括乙二胺、丙二胺、三乙胺和乙胺中的任意一种或至少两种；

26、所述碱溶液包括koh溶液和/或naoh溶液，碱溶液中氢氧根离子的浓度为10～20摩尔/升；

27、所述静置反应的温度为60～80℃。

28、优选的，步骤s1.2中，所述还原剂为水合肼、nabh4、柠檬酸钠和抗坏血酸中的任意一种或至少两种；

29、优选的，所述还原反应所用还原剂的滴加速度为2～4滴/秒。

30、优选的，步骤s1.3中，所述第一离心处理的转速为5000～10000转/分钟，时间为1～5分钟；

31、所述酸浸处理所用的酸为盐酸、硝酸、硫酸以及次氯酸中的任意一种或至少两种，酸浸处理所用的酸中氢离子的浓度为0.5～2mol/l。

32、所述第二离心处理的转速为5000～10000转/分钟，时间为1～5分钟。

33、优选的，步骤s3中，所述rup纳米颗粒溶液的制备方法包括步骤：

34、步骤s3.1、将钌源、磷源溶解在溶剂中，加热干燥得到磷钌混合粉末；

35、步骤s3.2、将磷钌混合粉末置于高温炉中进行磷化反应，得到磷化钌。

36、优选的，步骤s3.1中，所述钌源包括rucl3·3h2o、rui3、ru(oac)3和ru(c5h5)2中的任意一种或至少两种；

37、所述磷源包括nah2po2、na2hpo4、(c6h5)3p和白磷中的任意一种或至少两种，所述钌源和磷源的质量比为1:2～1:3。

38、优选的，步骤s3.2中，所述磷化反应的温度为400～600℃，时间为1.5～3h。

39、本申请第三方面提供了一种膜电极，所述膜电极包括依次叠加的质子交换膜、催化剂层、扩散层；

40、所述催化剂层包括上述光电双催化析氢催化剂。

41、本申请第四方面提供了一种氢燃料电池，包括双极板及其两侧的膜电极；

42、所述膜电极包括上述膜电极。

43、综上所述，本申请提供了一种光电双催化析氢催化剂及制备方法和膜电极、氢燃料电池，其中，光电双催化析氢催化剂包括铜纳米线和磷化钌纳米颗粒，所述磷化钌纳米颗粒与铜纳米线复合构成异质结构；与磷化钌纳米颗粒作为析氢催化剂相比，cu纳米线具有很强的电子传导率可以实现快速电子转移提高催化效率，rup具有优异的水解离和氢脱附位点，为催化反应提供高效平台，从而铜纳米线和磷化钌纳米颗粒复合后能够降低在酸性、中性以及酸性电解液中的过电位，提高析氢催化剂的催化性能；并且铜纳米线和磷化钌纳米颗粒复合后构成的异质结构具有很强的电子相互作用，且具有光电转换能力，在光照下产生电流，具有了光催化析氢的能力，使得催化剂在酸性、中性以及酸性电解液中的过电位进一步降低，提高了析氢催化剂的催化性能，氢气容易析出，从而解决现有技术中磷化钌等析氢催化性能有待提高的技术问题。

技术特征：

1.一种光电双催化析氢催化剂，其特征在于，所述光电双催化析氢催化剂包括铜纳米线和磷化钌纳米颗粒；

2.根据权利要求1所述的一种光电双催化析氢催化剂，其特征在于，所述光电双催化析氢催化剂中铜纳米线和磷化钌纳米颗粒的质量比为8～50:50～92。

3.根据权利要求1所述的一种光电双催化析氢催化剂，其特征在于，所述光电双催化析氢催化剂中铜纳米线和磷化钌纳米颗粒的质量比为19:81。

4.根据权利要求1所述的一种光电双催化析氢催化剂，其特征在于，所述铜纳米线的直径为100-200nm，长度为1000～3000nm；

5.权利要求1-4任一项所述的一种光电双催化析氢催化剂的制备方法，其特征在于，制备方法包括步骤：

6.根据权利要求5所述的一种光电双催化析氢催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述酸浸预处理的时间为30min。

7.根据权利要求5所述的一种光电双催化析氢催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述搅拌混合的时间为24h；

8.根据权利要求5所述的一种光电双催化析氢催化剂的制备方法，其特征在于，所述酸浸预处理所用的酸为盐酸，所述盐酸溶液的质量浓度为20％。

9.一种膜电极，其特征在于，所述膜电极包括依次叠加的质子交换膜、催化剂层、扩散层；

10.一种氢燃料电池，其特征在于，包括双极板及其两侧的膜电极；

技术总结
本申请属于析氢催化剂领域，尤其涉及光电双催化析氢催化剂及制备方法和膜电极、氢燃料电池；本申请提供的光电双催化析氢催化剂为铜纳米线和RuP纳米颗粒复合而成的Cu‑RuP异质结构，与RuP纳米颗粒相比，能够降低催化剂在酸性、中性以及碱性电解质中析氢过电位，提高析氢性能，并且具有光催化性能，在光照后，过电位进一步降低，提高了析氢催化剂的催化性能，从而解决现有技术中磷化钌等析氢催化性能有待提高的技术问题。

技术研发人员：王庆斌,蔡日,刘明,刘石,刘志刚,黄荣钦,王余熙
受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11