【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及水電解，尤其涉及一種多功能催化劑vsa-conx及其制備方法和利用該催化劑實(shí)現(xiàn)耦合制氫的方法。
技術(shù)介紹
1、水分解產(chǎn)生氫氣和氧氣被認(rèn)為是緩解能源危機(jī)和環(huán)境惡化問題的最有希望的方法之一，其中包括析氫反應(yīng)(her)和析氧反應(yīng)(oer)的兩個(gè)半反應(yīng)。在開發(fā)高效的oer和her催化劑方面研究者們已經(jīng)投入的大量的努力。貴金屬pt(ru&ir)仍然是目前her(oer)的基準(zhǔn)催化劑，具備優(yōu)良的催化活性。然而，貴金屬催化劑存在的價(jià)格高、含量低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步投入商業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)，生產(chǎn)具備多種功能的催化劑通常需要不同的設(shè)備和合成工藝，大大增加了投資成本，因此，設(shè)計(jì)一種在耦合制氫過程中陰極和陽極都具備高催化活性的多功能催化劑對(duì)于降低制氫成本非常重要。
2、另一方面，制約綠氫進(jìn)一步發(fā)展的主要原因還是水電解過程中較高的電解電壓所帶來的高電價(jià)。電解水制氫，大概42％～43％的成本來源于電。此外，在一般的水電解應(yīng)用中，陰極her與陽極的oer耦合進(jìn)行制氫。但與her相比，由于復(fù)雜的四電子轉(zhuǎn)移過程，oer總是緩慢的，這導(dǎo)致了高電壓來驅(qū)動(dòng)高效的制氫。盡管人們努力開發(fā)有效的oer催化劑來降低過電位，但電化學(xué)分解水的能耗仍然很高。同時(shí)，oer的最終產(chǎn)物o2價(jià)值較低，且與電解槽同產(chǎn)生的h2混合時(shí)可能會(huì)發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的陽極析氧反應(yīng)(oer)動(dòng)力學(xué)緩慢，導(dǎo)致電解水效率低、成本高的問題，提供一種多功能催化劑
2、為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：一種多功能催化劑vsa-conx的制備方法，采用水熱法利用金屬釩源和鈷源制備出v-co(oh)2，以v-co(oh)2為前體，將v-co(oh)2前體氮化，制備出多功能耦合制氫催化劑vsa-conx。
3、優(yōu)選地，將0.1-10mmol?co(no3)2·6h2o和1-20mmol?ch4n2o、1-10mmol?nh4f、0.1-10mmol?nh4vo3和10-50ml去離子水，混合均勻后加入凈化處理好的泡沫鎳(nf)，在100-250℃下反應(yīng)5-20h，氮?dú)夥諊稍锏玫絭-co(oh)2前體；將得到的v-co(oh)2前體放置管式爐中，在300-800℃下在氮化條件下燒結(jié)1-5h，制得多功能催化劑vsa-conx。
4、優(yōu)選地，所述氮化條件的氮源為三聚氰胺，雙氰胺，尿素，氨氣中的一種。
5、本專利技術(shù)同時(shí)提供了上述制備方法制備得到的多功能催化劑vsa-conx，所述催化劑在形貌上具有v摻雜con納米線結(jié)構(gòu)。
6、基于上述多功能催化劑vsa-conx，本專利技術(shù)提供了三種耦合制氫的方法，具體如下：
7、耦合制氫的方法之一，將上述多功能催化劑vsa-conx同時(shí)作為陰極和陽極催化劑，在1m?koh的電解質(zhì)中進(jìn)行水電解反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)vsa-conx催化劑在電解槽中的全水解制氫。
8、耦合制氫的方法之二，將上述多功能催化劑vsa-conx同時(shí)作為陰極和陽極催化劑，陰極電解質(zhì)為1m?koh，陽極電解質(zhì)為1m?koh+0.5m尿素，實(shí)現(xiàn)vsa-conx催化劑在陽極的尿素氧化、同時(shí)耦合陰極水電解制氫過程。
9、耦合制氫的方法之三，將上述多功能催化劑vsa-conx同時(shí)作為陰極和陽極催化劑，陰極電解質(zhì)為1m?koh，陽極電解質(zhì)為1m?koh+0.3m肼，實(shí)現(xiàn)vsa-conx催化劑在陽極的肼氧化、同時(shí)耦合陰極水電解制氫過程。
10、優(yōu)選地，所述多功能催化劑vsa-conx在h型電解槽下的催化溫度為室溫，反應(yīng)面積為1～5cm2；所述多功能催化劑vsa-conx在陰離子交換膜電解槽下的催化溫度為70℃，反應(yīng)面積為1～5cm2。
11、本專利技術(shù)還提供了上述多功能催化劑vsa-conx在陰離子交換膜電解槽上耦合制氫中的應(yīng)用。
12、本專利技術(shù)所具有的有益效果：
13、1.本專利技術(shù)中通過金屬v的摻雜，有效的優(yōu)化了conx催化劑的表面特性及催化性能，親水/疏氣的表面特性為催化過程中實(shí)現(xiàn)最大化催化表面積，并防止氣泡堵塞；在堿性高壓條件下羥基氧化物種的快速部分轉(zhuǎn)換也為oer和uor提供了豐富的活性位點(diǎn)，因此，本專利技術(shù)制備得到的了一種在形貌上具有v摻雜con納米線結(jié)構(gòu)的多功能催化劑vsa-conx。
14、2.本專利技術(shù)制備的多功能催化劑vsa-conx應(yīng)與于耦合制氫中，不僅具有優(yōu)異的析氫性能，并且在析氧、尿素氧化、肼氧化都表現(xiàn)出極佳的性能，具有多功能多應(yīng)用耦合制氫潛質(zhì)；vsa-conx在堿性液體中的氣泡接觸角為163.75°；在催化劑穩(wěn)定性能測(cè)試中，催化劑vsa-conx在全解水ows表現(xiàn)出極佳的安培級(jí)電流的穩(wěn)定性；在堿性陽極過程中，促進(jìn)羥基氧化物種的產(chǎn)生以及抑制羥基氧化物種的積累也為析氧和尿素氧化提供了優(yōu)異的催化性能；催化劑vsa-conx在肼氧化過程中也表現(xiàn)出高效的降解速率，在200ma?cm-2的電流密度下，1cm2的催化劑在2h內(nèi)降解效率高達(dá)99％以上(肼含量5ppb以下，符合國家廢水排放要求)。而且，在70℃下、多種可變(全解水ows，尿素輔助制氫her-uor，肼輔助制氫her-hzor)陰離子交換膜電解槽器件的應(yīng)用也為商業(yè)應(yīng)用提供了極大的可能。
15、3.本專利技術(shù)中的多功能催化劑vsa-conx在多工況下耦合制氫方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。尤其是，當(dāng)vsa-conx用作陽極和陰極，通過耦合肼組裝陰離子交換膜水電解(aemwe)電解槽以安培級(jí)電流密度(1a?cm-2)生產(chǎn)氫氣時(shí)，只需要0.21v的超低電壓，這說明通過肼輔助aemwe生產(chǎn)相同數(shù)量的氫氣，只需要傳統(tǒng)水電解能耗的11.17％，只需0.506kwhnm-3?h2，有效節(jié)約了能源，并將氫氣生產(chǎn)成本大幅降低至每公斤0.11美元，顯著降低了制氫成本。而且，實(shí)驗(yàn)證明含肼的電解液在兩小時(shí)內(nèi)的降解率可超過95％，這也說明了它的優(yōu)異的降解廢水能力。
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1.一種多功能催化劑VSA-CoNX的制備方法，其特征在于，采用水熱法利用金屬釩源和鈷源制備出V-Co(OH)2，以V-Co(OH)2為前體，將V-Co(OH)2前體氮化，制備出多功能耦合制氫催化劑VSA-CoNX。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，將0.1-10mmol?Co(NO3)2·6H2O和1-20mmol?CH4N2O、1-10mmol?NH4F、0.1-10mmol?NH4VO3和10-50mL去離子水，混合均勻后加入凈化處理好的泡沫鎳(NF)，在100-250℃下反應(yīng)5-20h，氮?dú)夥諊稍锏玫絍-Co(OH)2前體；將得到的V-Co(OH)2前體放置管式爐中，在300-800℃下在氮化條件下燒結(jié)1-5h，制得多功能催化劑VSA-CoNX。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述氮化條件的氮源為三聚氰胺，雙氰胺，尿素，氨氣中的一種。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的多功能催化劑VSA-CoNX，其特征在于，所述催化劑在形貌上具有V摻雜CoN納米線結(jié)構(gòu)。
5.一種耦合制氫的方
6.一種耦合制氫的方法，其特征在于，將權(quán)利要求4所述的多功能催化劑VSA-CoNX同時(shí)作為陰極和陽極催化劑，陰極電解質(zhì)為1M?KOH，陽極電解質(zhì)為1M?KOH+0.5M尿素，實(shí)現(xiàn)VSA-CoNX催化劑在陽極的尿素氧化、同時(shí)耦合陰極水電解制氫過程。
7.一種耦合制氫的方法，其特征在于，將權(quán)利要求4所述的多功能催化劑VSA-CoNX同時(shí)作為陰極和陽極催化劑，陰極電解質(zhì)為1M?KOH，陽極電解質(zhì)為1M?KOH+0.3M肼，實(shí)現(xiàn)VSA-CoNX催化劑在陽極的肼氧化、同時(shí)耦合陰極水電解制氫過程。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多功能催化劑VSA-CoNX在H型電解槽下的催化溫度為室溫，反應(yīng)面積為1～5cm2；所述多功能催化劑VSA-CoNX在陰離子交換膜電解槽下的催化溫度為70℃，反應(yīng)面積為1～5cm2。
9.如權(quán)利要求4所述的多功能催化劑VSA-CoNX在陰離子交換膜電解槽上耦合制氫中的應(yīng)用。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種多功能催化劑vsa-conx的制備方法，其特征在于，采用水熱法利用金屬釩源和鈷源制備出v-co(oh)2，以v-co(oh)2為前體，將v-co(oh)2前體氮化，制備出多功能耦合制氫催化劑vsa-conx。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，將0.1-10mmol?co(no3)2·6h2o和1-20mmol?ch4n2o、1-10mmol?nh4f、0.1-10mmol?nh4vo3和10-50ml去離子水，混合均勻后加入凈化處理好的泡沫鎳(nf)，在100-250℃下反應(yīng)5-20h，氮?dú)夥諊稍锏玫絭-co(oh)2前體；將得到的v-co(oh)2前體放置管式爐中，在300-800℃下在氮化條件下燒結(jié)1-5h，制得多功能催化劑vsa-conx。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述氮化條件的氮源為三聚氰胺，雙氰胺，尿素，氨氣中的一種。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的多功能催化劑vsa-conx，其特征在于，所述催化劑在形貌上具有v摻雜con納米線結(jié)構(gòu)。
5.一種耦合制氫的方法，其特征在于，將權(quán)利要求4...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：曹達(dá)鵬，邢明輝，劉志平，韓夢(mèng)婷，徐國慶，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京化工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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