一种电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备与应用

本发明属于电解水制氢，涉及电解水析氢反应电催化剂，特别涉及一种电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备与应用。

背景技术：

1、电解水制氢技术可实现可再生能源规模化制氢，目前该技术仍然存在制氢效率低、制氢成本高等问题，设计高催化性能的电催化剂加快反应的进行是解决这一问题的关键。

2、商用pt/c和iro2/ruo2被认为是水分解的优异催化剂，但其低储量和高成本阻碍了其广泛应用，因此，寻找低成本、高活性的电催化剂是发展电解水技术的迫切需求。异质结材料的两组分可在水分解不同步骤发挥不同功能，更重要的是，两组分间强烈的电子相互作用降低了水分子解离能垒并可促进氢气快速脱附。其中，硒化物具有金属性，可保证电荷有效传输。然而，现有制备硒化物异质结电催化剂的技术方法主要是水热法，其对设备具有高压等一定要求，且产量较低，不适宜大规模生产应用。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备与应用，通过简便的制备方法构建硒化物异质结，协同发挥不同硒化物及异质界面的催化活性，从而提升析氢反应动力学，利用该催化剂可以提高电解水制氢效率，并间接降低电解水制氢成本。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，在不断搅拌的离子水中分散加入三聚氰胺或二氰二胺，再溶解葡萄糖后，依次逐滴加入含金属盐的溶液，加热此混合物，直到去离子水完全挥发，得到含金属盐的混合物粉末；取金属盐分别为金属盐一和金属盐二，由此分别得到含金属盐一的混合物粉末和含金属盐二的混合物粉末；

5、步骤2，将所述含金属盐一的混合物粉末和含金属盐二的混合物粉末研磨混合，在惰性气体或还原性气体气氛中高温处理，得到金属单质一/金属单质二-氮掺杂碳复合材料；即，金属单质一与金属单质二负载在氮掺杂碳上；

6、步骤3，将所述金属单质一/金属单质二-碳复合材料与硒粉混合，于惰性气体气氛中加热处理，得到金属硒化物一/金属硒化物二-氮掺杂碳复合材料，即所述锂硫电池用硒化物异质结催化材料。

7、在一个实施例中，所述步骤1，按质量份数计，原料用量为：三聚氰胺或二氰二胺3～4份、葡萄糖0.04～0.06份、金属盐0.2～0.5份。

8、在一个实施例中，所述步骤1，加热温度为50～60℃。

9、在一个实施例中，其特征在于，所述步骤1，金属盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铬、硝酸铜或钼酸铵。

10、在一个实施例中，所述步骤2，按质量计，含金属盐一的混合物粉末与金属盐二的混合物粉末质量比为1：1～1：2。

11、在一个实施例中，所述步骤2，研磨方式为手磨。

12、在一个实施例中，所述步骤2，高温处理温度为：升温速率2～3℃min-1，至800～900℃后保温2～4h。

13、在一个实施例中，所述步骤3，按质量计，金属单质一/金属单质二-碳复合材料与硒粉质量比为1.8：1～1：2。

14、在一个实施例中，所述步骤3，加热处理为：升温速率2℃min-1，至350～450℃后保温2～4h。

15、在一个实施例中，所述步骤2和步骤3，惰性气体均为氮气或氩气，通气量为20mlmin-1。

16、本发明所得硒化物异质结电催化剂可用于电解水制氢，将所述硒化物异质结电催化剂均匀分散于nafion溶液，并滴于泡沫镍，待干燥后用作工作电极，分别以氧化汞电极和铂电极为参比电极和对电极，在碱性电解溶液中测试析氢催化极化曲线。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、(1)制备的硒化物异质结可协同发挥两种硒化物及异质界面的催化活性，从而同时促进催化剂表面水分析的解离和h2的吸脱附过程。

19、(2)异质结复合材料中两种硒化物的含量可调，能够根据两组分发挥的作用调控组分所占比例，从而优化硒化物异质结-氮掺杂碳复合材料的催化性能。

20、(3)构建的异质结可调控硒化物的电子结构，提高其催化活性，促进析氢反应催化活性，从而降低水分子解离能垒和促进h2的生成。

21、(4)异质结界面类型可通过选取改变金属盐的种类进行调控，从而调控材料在界面的电子转移，优化材料的能带结构和界面电子结构，提高析氢性能。

技术特征：

1.一种电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1，按质量份数计，原料用量为：三聚氰胺或二氰二胺3～4份、葡萄糖0.04～0.06份、金属盐0.2～0.5份。

3.根据权利要求1所述电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1，加热温度为50～60℃。

4.根据权利要求1或2或3所述电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1，金属盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铬、硝酸铜或钼酸铵。

5.根据权利要求1所述电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2，含金属盐一的混合物粉末与金属盐二的混合物粉末质量比为1：1～1：2，所述步骤3，金属单质一/金属单质二-碳复合材料与硒粉质量比为1.8：1～1：2。

6.根据权利要求1或5所述电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2，高温处理温度为：升温速率2～3℃min-1，至800～900℃后保温2～4h。

7.根据权利要求1所述电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2，研磨方式为手磨，所述步骤2和步骤3，惰性气体均为氮气或氩气，通气量为20mlmin-1。

8.根据权利要求1或5或7所述电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3，加热处理为：升温速率2℃min-1，至350～450℃后保温2～4h。

9.硒化物异质结电催化剂用于电解水制氢的应用，所述硒化物异质结电催化剂由权利要求1至8任一项所述电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法得到。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将所述硒化物异质结电催化剂均匀分散于nafion溶液，并滴于泡沫镍，待干燥后用作工作电极，分别以氧化汞电极和铂电极为参比电极和对电极，在碱性电解溶液中测试析氢催化极化曲线。

技术总结
本发明公开了一种电解水制氢用硒化物异质结电催化剂的制备方法，包括以下步骤：将三聚氰胺或二氰二胺、葡萄糖、金属盐依次加入去离子水中加热并搅拌，直到得到混合物粉末。将两种金属盐的混合物粉末在惰性气体气氛中高温处理，得到金属单质一/金属单质二‑碳复合材料。将金属单质一/金属单质二复合材料‑碳与硒粉混合后，于惰性气体气氛中加热处理，得到金属硒化物一/金属硒化物二异质结‑碳复合材料以用作电解水制氢析氢催化剂。本发明两步热处理方法得到了一种硒化物异质结‑碳复合材料，其兼具两种硒化物及异质界面的高催化活性，是一种具有异质结构的电催化剂通用制备方法。

技术研发人员：陈利萍,王娟,李舒越,李勇,祖冠男
受保护的技术使用者：西安建筑科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17