本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氫氣因其高燃燒值、環(huán)保性和可再生性成為最具潛力的清潔能源之一。其中，電解水制氫技術(shù)被認(rèn)為是最有前景的制氫方法之一。電解水制氫過程包括陰極的析氫反應(yīng)（her）和陽極的氧析出反應(yīng)（oer）。然而，由于oer具有較高的反應(yīng)能壘，限制了電解水制氫技術(shù)的發(fā)展。尿素氧化反應(yīng)（uor）因其極低的理論氧化電位，不僅能夠有效降低能耗，還能降解富含尿素的污水，從而減輕環(huán)境污染，因此有潛力替代oer以提高電解水制氫的效率。然而，尿素輔助水分解過程涉及多步電子轉(zhuǎn)移和復(fù)雜的反應(yīng)中間體吸附與脫附，因而動力學(xué)較為緩慢。迄今為止，最廣泛使用的尿素電解催化劑是貴金屬催化劑，如pt/c和ruo2，但其高昂的成本、稀缺的儲量和較差的穩(wěn)定性嚴(yán)重限制了進(jìn)一步應(yīng)用。因此，開發(fā)廉價、高效且穩(wěn)定的her/uor雙功能催化劑已成為當(dāng)務(wù)之急。目前，鎳基催化劑（如鎳基氫氧化物、鎳基氧化物和鎳基合金）因其低制備成本、良好的催化穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，受到研究者的廣泛關(guān)注。然而，鎳基催化劑的催化性能仍與貴金屬催化劑存在差距，因此，制備具有高催化活性和良好穩(wěn)定性的鎳基催化劑仍然面臨挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有的技術(shù)缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑的制備方法。本發(fā)明的另一目的在于提供由上述方法制備的催化劑負(fù)載在泡沫鎳上的極片。本發(fā)明的再一目的在于提供上述極片在電解尿素制氫方面的應(yīng)用。在該方法中，通過煅燒碳納米管與過渡金屬復(fù)合物前驅(qū)體得到了負(fù)載在氮摻雜碳納米管上的金屬合金顆粒，該策略利用氮摻雜碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性提高了催化劑的整體催化性能和穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明的目的通過下述方案實現(xiàn)：

3、一種氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑及其負(fù)載在泡沫鎳的極片的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

4、（1）將鈷源和鎳源溶解于去離子水和乙醇的混合溶液中；

5、（2）將步驟（1）得到的混合溶液與碳納米管和三聚氰胺混合，并進(jìn)行超聲處理；

6、（3）將步驟（2）得到的溶液在水浴鍋中加熱攪拌，除去溶劑，研磨得到干燥粉末；

7、（4）取步驟（3）中制得得粉末，在ar氣氛保護(hù)下，通過一步煅燒得到黑色粉末。將黑色粉末用去離子水和乙醇進(jìn)行多次洗滌，移至烘箱干燥，得到氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑，記為coni@ncnt；

8、（5）取泡沫鎳（nf）置于鹽酸溶液和乙醇中分別進(jìn)行超聲處理并干燥；

9、（6）將適量聚偏氟乙烯（pvdf）與n-甲基吡咯烷酮（nmp）混合攪拌直至完全溶解，記為粘結(jié)劑；

10、（7）將步驟（4）得到的coni@ncnt與少量乙炔黑加入乙醇溶液中，在攪拌的作用下，緩慢滴加步驟（6）中制得的粘結(jié)劑，然后對混合溶液進(jìn)行超聲處理，然后移至水浴鍋中加熱攪拌，直至形成黑色粘稠可流動的漿料；

11、（8）將步驟（7）得到的漿料，通過涂布法反復(fù)多次均勻地涂在經(jīng)步驟（5）處理過的nf上，移至烘箱干燥，得到負(fù)載有氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑的極片，記為coni@nc/nf。

12、進(jìn)一步限定，步驟（1）中所述的鈷源為硝酸鈷(ⅲ)、氯化鈷(ⅲ)、乙酰丙酮鈷(ⅲ)中的至少一種；鎳源為硝酸鎳、氯化鎳、乙酰丙酮鎳中的至少一種。

13、進(jìn)一步限定，步驟（1）中，去離子水和乙醇的混合溶液的配比為v去離子水：v乙醇?=?1：1；鈷源與鎳源的總物質(zhì)的量濃度為0.1?mol?l-1。

14、進(jìn)一步限定，步驟（2）中，三聚氰胺在溶液中的含量為66.67?g?l-1；碳納米管在溶液中的含量為6.67?g?l-1；超聲處理的時間為1?h以確保三聚氰胺與碳納米管在溶液中分散均勻。

15、進(jìn)一步限定，步驟（3）中，水浴加熱的溫度為70°c，攪拌時間為1~12?h以確保反應(yīng)溶劑徹底蒸干方便后續(xù)研磨。

16、進(jìn)一步限定，步驟（4）中所述的一步煅燒，其升溫速率為5°c?min-1，目標(biāo)溫度為800°c，保溫時間為2?h。

17、進(jìn)一步限定，步驟（5）中，nf的尺寸為1?cm*1?cm與4?cm*7?cm，鹽酸溶液的濃度為3mol?l-1，且每步超聲處理時長至少15?min，以除去nf表面的油脂與氧化物。

18、進(jìn)一步限定，步驟（6）中，pvdf的添加量為0.05~0.15?g，nmp的添加量為1.25~3.75g。

19、進(jìn)一步限定，步驟（7）中，coni@ncnt的含量為13.33~40?g?l-1，乙炔黑的含量為3.33~10?g?l-1，超聲處理時長為30?min，水浴加熱的溫度為80°c直到形成黑色粘稠可流動漿料。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：制備方法簡單，可大規(guī)模制備氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑；將鈷鎳合金負(fù)載在氮摻雜碳納米管上不僅可以抑制納米顆粒的團聚，還有助于電荷的快速轉(zhuǎn)移；制得的coni@ncnt展現(xiàn)出優(yōu)異的電解尿素性能，且具有較好的穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑及其負(fù)載在泡沫鎳的極片的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟（1）中所述的鈷源為硝酸鈷(ⅲ)、氯化鈷(ⅲ)、乙酰丙酮鈷(ⅲ)中的至少一種；鎳源為硝酸鎳、氯化鎳、乙酰丙酮鎳中的至少一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，去離子水和乙醇的混合溶液的配比為v去離子水：v乙醇?=?1：1；鈷源與鎳源的總物質(zhì)的量濃度為0.1?mol?l-1。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟（2）中，三聚氰胺在溶液中的含量為66.67?g?l-1；碳納米管在溶液中的含量為6.67?g?l-1；超聲處理的時間為1?h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟（3）中，水浴加熱的溫度為70°c，攪拌時間為1~12?h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑的制備方法，其特征在于，步驟（4）中所述的一步煅燒，其升溫速率為5°c?min-1，目標(biāo)溫度為800°c，保溫時間為2h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑負(fù)載在泡沫鎳的極片的制備方法，其特征在于，步驟（5）中，nf的尺寸為1?cm*1?cm與4?cm*7?cm，鹽酸溶液的濃度為3?mol?l-1，且每步超聲處理時長至少15?min。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑負(fù)載在泡沫鎳的極片的制備方法，其特征在于，步驟（6）中，pvdf的添加量為0.05~0.15?g，nmp的添加量為1.25~3.75?g。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑負(fù)載在泡沫鎳的極片的制備方法，其特征在于，步驟（7）中，coni@ncnt的含量為13.33~40?g?l-1，乙炔黑的含量為3.33~10?g?l-1，超聲處理時長為30?min，水浴加熱的溫度為80°c。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑及其制備方法與應(yīng)用。所述方法包括以下步驟：將鈷源、鎳源混合，溶于適量的醇水混合溶液，加入碳納米管、三聚氰胺混合均勻，水浴加熱，將溶劑蒸干，充分研磨后得到前驅(qū)體粉末；隨后前驅(qū)體粉末在惰性氣體保護(hù)下，通過一步煅燒得到氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金催化劑。本發(fā)明將鈷鎳合金封裝到氮摻雜的碳納米管中不僅可以抑制活性納米顆粒的團聚，還有助于電荷的快速轉(zhuǎn)移。本發(fā)明制備得到的氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷鎳合金電催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的析氫反應(yīng)（HER）與尿素氧化反應(yīng)（UOR）催化性能，而且在高電流下具有較好的穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：袁定勝,張堯皓,付昱,胡朝霞,袁黎明,胡慧萍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州高合氫盛科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19