专利名称：析氢阴极材料的低温制备方法及该析氢阴极材料的应用的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种析氢阴极材料的制备方法及其在光电制氢中的应用，具体地涉及析氢阴极材料的低温制备方法及其在光电制氢中的应用。
背景技术：
氢能作为二次能源具有能量密度高、热转化效率高、输送成本低、对环境零污染等诸多优点，是最具竞争力的未来能源。直接利用太阳能制氢，具有广阔的发展前景。光解水制氢技术主要分为光催化制氢和光电催化制氢，相比光催化制氢，光电催化制氢减少了电子-空穴对的复合，使得分离效率提高，能在两极上分别获得氢气和氧气。目前光电催化制氢的研究主要集中在阳极光催化剂方面，而阴极电催化剂主要是贵金属钼，存在成本高等问题，为了降低成本、提高转换效率，采用简单低成本的技术制备低成本的阴极析氢材料成为研究的热点。文献“唐元勋、孟淑媛、吴海斌，电子元件与材料。28卷，第9期，2009年9月”中提到采用置换法还原络合银离子，在铜粉颗粒表面沉积金属银。研究了还原剂、络合剂、分散剂种类和数量对包覆效果的影响。中国专利“CN 1483539A利用金属置换反应制备金属纳米材料的方法”在室温到1000c内采用金属置换反应制备金属纳米颗粒。高温条件下的置换反应会由于反应速度过快而很难形成均匀的颗粒。且文件中提到需要利用二氧化钛的辅助作用，增加了技术的难度和不可重复性。
发明内容
因此，为了克服现有技术中的这些问题，本发明人进行了深入研究，开发了一种可以低温制备表面具有均匀颗粒的阴极析氢材料的方法。〈1〉. 一种析氢阴极材料的低温制备方法，所述方法包括如下步骤将活泼金属进行表面处理；将配制好的阴极活性材料的前驱反应溶液在零下20°C至0°C的温度进行恒温处理；将经过表面处理的活泼金属放置在阴极活性材料的前驱反应溶液中，并且在零下20°C至0°C的温度进行搅拌浸镀；以及将活泼金属取出并冲洗吹干之后，用作析氢阴极材料。〈2〉.根据〈1>所述的方法，其中所述方法还包括将浸镀后的活泼金属从前驱反应溶液中取出并冲洗吹干之后，用作析氢阴极材料。〈3〉.根据〈1>所述的方法，其中所述活泼金属选自铜、铝、镍和不锈钢中的一种。〈4〉.根据〈1>或〈2>所述的方法，其中所述阴极活性材料的前驱反应溶液选自氯钼酸溶液、硝酸银和氯金酸溶液中的一种。〈5〉.根据前面任一项所述的方法，其中所述氯钼酸溶液为lmg/L-100mg/L的乙醇溶液。〈6〉.根据前面任一项所述的方法，其中所述表面处理包括用碱性溶液浸泡去除所述活泼金属的表面油脂以及用高氯酸或硫酸浸泡去除所述活泼金属的表面氧化层。〈7〉.根据前面任一项所述的方法，其中所述搅拌浸镀的时间为5min_3h。〈8〉.根据前面任一项所述的方法，其中所述搅拌浸镀的时间为10min-30min。〈9〉. 一种由前面任一项所述方法制备的析氢阴极材料在光电催化制氢中的应用。通过光电流及产氢测试证明本发明的低温下制备的样品产生的效果远高于高温下制备的样品，而且用作光电制氢体系中的阴极析氢材料时，与传统的钼电极相比，成本降低了很多。所以采用这种简单的制备工艺，在降低阴极析氢材料成本的同时还提高了其析氢性能。
图1是表示根据本发明制备方法的一个实施方案获得的阴极析氢材料的电压-电流图；图2是表示根据本发明制备方法的一个实施方案获得的阴极析氢材料的累积产氢量的图；图3是表示根据本发明制备方法的一个实施方案获得的阴极析氢材料的表面形貌的电子显微镜(SEM)照片；图4是显示本发明的实施例1以及比较例I所获得的阴极析氢材料的电压-电流比较结果的
图5是显示本发明的实施例1以及比较例I所获得的阴极析氢材料的累积产氢量比较结果的图；图6是本发明的实施例1中获得的阴极析氢材料的表面形貌的电子显微镜(SEM)照片；以及图7是本发明的比较例I中获得的阴极析氢材料的表面形貌的电子显微镜(SEM)照片。
具体实施例方式本发明提供一种析氢阴极材料的低温制备方法，所述方法包括如下步骤将活泼金属进行表面处理；将配制好的阴极活性材料的前驱反应溶液在零下20°C至0°C的温度进行恒温处理；将经过表面处理的活泼金属放置在所述阴极活性材料的前驱反应溶液中，并且在零下20°C至0°C的温度进行搅拌浸镀；以及将活泼金属取出并冲洗吹干之后，用作析氢阴极材料。本发明人的设计思路是用阴极活性材料的前驱反应溶液做镀液，在低温条件(_20°C到0°C )下用铜等活泼金属做基底可以直接在其表面上浸镀钼等贵金属，与对比文献(CN 1483539A)不同的是本发明不需要新的络合剂，工艺简单，也避免了引入新的杂质元素的可能。在本文中，所述活泼金属是指能够将阴极活性材料的前驱反应溶液中的金属元素置换出来的金属，即能够通过置换反应使阴极材料的前驱反应溶液中的金属元素成为单质金属的金属，这样的活泼金属优选铜、铝、镍和不锈钢中的一种，并且更优选铜。活泼金属的形状没有特别地限制，通常地，选用片状或网状。
在本发明中所述的活泼金属片可以是市售的。通常地，市售的活泼金属需要进行表面处理才能使用，因为活泼金属的表面通常存在氧化层。具体地，活泼金属的表面处理的一个实例包括如下过程将活泼金属切割成I X Icm-1OXlOcm作为基底，并且用碳酸钠、氨水等碱性溶液浸泡去除表面油质，高氯酸或硫酸浸泡去除表面氧化层，去离子水清洗，氮气或氩气吹干。在本文中，所述阴极活性材料是指适合用于制备光催化阴极的材料，并且其前驱溶液优选使用选自氯钼酸溶液、硝酸银和氯金酸溶液中的一种，更优选氯钼酸溶液，最优选lmg/L-100mg/L的氯钼酸乙醇溶液。在本发明中，阴极活性材料的前驱反应溶液的配制方式没有特别限制，只要能够使阴极活性材料的前驱体溶解在合适的溶剂中即可，并且其浓度也没有特别限制。但是对于氯钼酸溶液，从所得的阴极材料的光电制氢性能考虑，优选将其配制成lmg/L-100mg/L的氯钼酸乙醇溶液(以下，简称为氯钼酸溶液)。接着，将配制好的阴极活性材料的前驱反应溶液放置在低温恒温器中，例如郑州长城科工贸有限公司制造的DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴，控制温度，使溶液内部温度达到零下20°C至0V的温度范围内。在本文中，所述零下20°C至0°C的范围包括在该范围内的任何子范围在内；达到低温的时间长短没有特别限制，只要能达到所需要的温度就可以。通常地，所述恒温搅拌浸镀处理的时间为5min_3h,优选为10min-30min。选择零下20°C至0°C是因为温度过低或过高会使置换反应的速度过慢或过快，从而形不成均匀的纳米晶粒，达不到高效的析氢效果，颗粒形貌可以从扫描电镜(SEM)图看出。接着，将清洗好的活泼金属放置在配制好的温度为零下20°C到0°C的阴极活性材料的前驱体溶液中搅拌浸镀5min-3h,优选10min-30min。在本发明中，浸镀时间的长短主要取决于阴极活性材料溶液中活性材料的浓度、反应的具体温度(即，在选自零下20°C到(TC中的某一确定温度)等。本发明中，我们认为该置换反应在形成一层致密膜层后就停止了置换反应，即活泼金属如 铜已被置换金属如银覆盖，而此膜层厚度已含有我们所需要的析氢活性点，且主要利用的是表面活性点，所以在本发明中膜层厚度不是关键因素。然后，取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气或氩气吹干，即表面浸镀有可作为阴极活性材料(如钼)的活泼金属，其可用作析氢阴极材料。为了证实本发明的制备方法获得的表面浸镀有可作为阴极活性材料层的活泼金属是一种良好的析氢阴极材料，本发明人还进行了如下的性能测试。例如，将表面浸镀有阴极活性材料层的活泼金属放置在装有0. 5-2M硫酸电解质的有机玻璃或玻璃反应器中作为阴极，以阳极氧化法制备的三氧化钨作为阳极；以北京畅拓科技有限公司生产的PLS-SXE300氙灯为模拟太阳光源，用照度计测量，将其光强调至lOOmW/cm2，用UV-⑶T滤光片将紫外光部分滤掉，通过调节氙灯与光阳极材料之间的距离和高度，保证光斑正好落在光阳极材料的中心，以使材料受光均匀；由CS3500电化学工作站提供一个从0-1. 2V的动态电压-电流扫描，以用来测试其光电性能。此外，进行用以评价材料的光电催化制氢性能试验。与上述光电性能测试不同的是对有机玻璃或玻璃反应器进行密封；由CS3500电化学工作站提供1. 2V偏压；每隔I小时从阴极材料端用带锁针(由美国agilent制造的Syringe型带锁针，ImL, PTFE, Iuer Iokvalve)抽出0. 2毫升气体，用Agilent 6820气谱(由美国agilent生产的Agilent 6820型气谱)测试氢气的产量，从而评价材料的光电催化制氢性能。例如，根据本发明的制备方法，在恒温的温度达到0°C，并且将处理过的铜片放置在0°c的氯钼酸乙醇溶液中搅拌浸镀2h的情况下获得的样品的测试结果如下如图1所示，1. 2V偏压下的电流密度为1. 2mA/cm2。如图2所示，1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率为0. 027mmol/hcm2。在图2中，y和X分别为对应的纵坐标和横坐标，R2为线性相关度。发明人所购买的商业化的钼片(购买于北京翠柏林有色金属研究院，本发明的浸镀氯钼酸置换得到的钼层与购买的钼片在纯度上相当，为99. 9% )在相同的测试条件下，其电流密度和产氢速率分别为1.22mA/cm2和0.0275mmOl/hcm2。从与以下实施例结果比较可以看出，本发明的金属置换的方法所制备的析氢阴极材料已基本达到商业化钼片的效果，但同时其费用相比商业化的钼片却降低了很多。此外，本发明人还对所获得的产品用扫描电子显微镜进行了观察，结果发现与对比专利(CN 1483539A)不同的是采用低温条件制备的样品为规则的纳米颗粒，如图3所示。而采用室温或高温条件制备的样品为不规则的旋片状颗粒，如图7所示。通过光电流及产氢测试证明低温下制备的样品产生的效果远高于高温下制备的样品。而且用作光电制氢体系中的阴极材料，与传统的钼电极相比，成本降低了很多，所以采用这种简单的制备工艺，在降低成本的同时还提高了析氢性能。我们分析低温条件下制备的样品的光电及光氢转换效率高的原因可能是在低温下的置换反应速度慢，有利于晶体颗粒的成型和生长。下面将通过实施例对本发明进行更详细的描述，但是这些实施例并不是对本发明范围的限制，本发明的范围应当由权利要求书进行限定。实施例 实施例1首先将纯度为99. 9%的铜片切割成3 X 3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡30min以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡30min以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制10mg/L的氯钼酸乙醇溶液100ml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到零下15°C。之后将清洗好的铜片放置在温度为零下15°C的氯钼酸溶液中搅拌浸镀2h。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。对比例I首先将纯度为99. 9%的铜片切割成3 X 3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡30min以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡30min以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制10mg/L的氯钼酸乙醇溶液100ml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到室温28°C。之后将清洗好的铜片放置在温度为室温28°C的氯钼酸溶液中搅拌浸镀2h。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。光电性能的测试过程是以北京畅拓科技有限公司生产的PLS-SXE300氙灯为模拟太阳光源，用照度计测量，将其光强调至lOOmW/cm2，用UV-⑶T滤光片将紫外光部分滤掉，通过调节氙灯与光阳极材料之间的距离和高度，保证光斑正好落在光阳极材料的中心，以使材料受光均匀；由CS3500电化学工作站给光阳极材料和阴极材料间提供一个从0-1. 2V的动态电压，同时由CS3500电化学工作站测出对应的电流，以此得到动态电压-电流曲线，即表示其光电性能。以下实施例的测试方法与此相同。结果实施例1及比较例I在1. 2V偏压下的电流密度分别为1. 09mA/cm2、0. 63mA/cm2，见图4中曲线I (实施例1)和曲线2(比较例I)所示。光催化制氢性能的测试与上述光电性能测试不同的是对有机玻璃或玻璃反应器进行密封；由CS3500电化学工作站提供1. 2V恒定偏压；每隔I小时从阴极材料端用带锁针(由美国agilent制造的Syringe型带锁针，ImL,PTFE, Iuer Iok valve)从密封的有机玻璃或玻璃反应器中抽出0.2毫升气体，用Agilent 6820气谱(由美国agilent生产的Agilent 6820型气谱)测试氢气的产量，从而评价材料的光电催化制氢性能。以下实施例测试与此方法相同。结果实施例1及比较例I在1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率分别为0. 024mmol/hcm2、0. 016mmol/hcm2,见图5中曲线I (实施例1)和曲线2 (比较例I)所示。(其中所说的单位面积产氢速率为图中曲线的斜率除以面积9cm2。)SEM(日本日立，型号Hitachi S-4300)表面形貌测试结果实施例1及比较例I分别为规则的纳米颗粒和不规则的颗粒，见图6 (实施例1)和图7(比较例I)所示，其中图6放大倍数为18k (BP,1. 8万倍)，其左上角插图放大倍数为45k ;图7放大倍数为1. 2k，其左上角插图的放大倍数为18k。实施例2首先将纯度为99. 9%的铜片切割成3 X 3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡30min以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡30min以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制10mg/L的氯钼酸乙醇溶液100ml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到零下20°C。之后将清洗好的铜片放置在温度为零下20°C的氯钼酸溶液中搅拌浸镀2h。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。测试结果在1. 2V偏压下的电流密度为1. 04mA/cm2，在1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率为0. 023mmol/hcm2。
实施例3首先将纯度为99. 9%的铜片切割成3 X 3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡30min以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡30min以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制100mg/L的氯钼酸乙醇溶液100ml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到(TC。之后将清洗好的铜片放置在温度为0°C的氯钼酸溶液中搅拌浸镀30min。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。测试结果在1. 2V偏压下的电流密度为1. 05mA/cm2，在1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率为0. 023mmol/hcm2。实施例4首先将纯度为99. 9%的铜片切割成3 X 3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡30min以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡30min以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制lmg/L的氯钼酸乙醇溶液100ml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到零下10°C。之后将清洗好的铜片放置在温度为零下10°C的氯钼酸溶液中搅拌浸镀30min。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。测试结果在1. 2V偏压下的电流密度为1. 02mA/cm2，在1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率为0. 022mmOl/hcm2。从实施例3和4的比较，可以看出相比氯钼酸浓度等其它因素，温度对于实验结果的影响更大。实施例5首先将纯度为99. 9%的铜片切割成3 X 3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡30min以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡30min以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制10mg/L的氯钼酸乙醇溶液100ml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到零下5°C。之后将清洗好的铜片放置在温度为零下5°C的氯钼酸溶液中搅拌浸镀lh。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。测试结果在1. 2V偏压下的电流密度为1. 10mA/cm2，在1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率为0. 025mmol/hcm2。实施例6首先将纯度为99. 9%的铜片切割成3 X 3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡30min以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡30min以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制10mg/L的氯钼酸乙醇溶液100ml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到零下15°C。之后将清洗好的铜片放置在温度为零下15°C的氯钼酸溶液中搅拌浸镀3h。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。测试结果在1. 2V偏压下的电流密度为1. 12mA/cm2，在1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率为0. 025mmol/hcm2。实施例7 首先将纯度为99. 9%的铝片切割成3 X 3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡30min以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡30min以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制lmg/L的氯金酸乙醇溶液100ml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到0°C。之后将清洗好的铜片放置在温度为0°C的氯金酸溶液中搅拌浸镀2h。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。测试结果在1. 2V偏压下的电流密度为0. 89mA/cm2，在1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率为0. 019mmol/hcm2。实施例8首先将纯度为99. 9%的镍网切割成3X3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡30min以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡30min以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制10mg/L的硝酸银乙醇溶液100ml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到0°C。之后将清洗好的铜片放置在温度为0°C的硝酸银溶液中搅拌浸镀lh。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。测试结果在1. 2V偏压下的电流密度为0. 92mA/cm2，在1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率为0. 020mmol/hcm2。实施例9首先将纯度为99. 9 %的不锈钢切割成3 X 3cm，放置在2M碳酸钠溶液中浸泡时间(30min)以去除表面油质，取出用去离子水冲洗，再放置在IM硫酸溶液中浸泡一定时间(30min)以去除表面氧化层，取出，去离子水清洗，氮气吹干。配制10mg/L的氯钼酸乙醇溶液IOOml，并放置在DHJF-8002低温(恒温)搅拌反应浴中，控制温度，使温度达到0°C。之后将清洗好的铜片放置在温度为0°c的氯钼酸溶液中搅拌浸镀2h。最后取出浸镀好的样品，去离子水冲洗，氮气吹干备用。测试结果在1. 2V偏压下的电流密度为0. 98mA/cm2，在1. 2V偏压下的单位面积的产氢速率为0. 021mmol/hcm2。
工业可适用性本发明的制备出的析氢阴极材料特别适合于在光电制氢领域中的应用。
权利要求
1.一种析氢阴极材料的低温制备方法，所述方法包括如下步骤 将活泼金属进行表面处理； 将配制好的阴极活性材料的前驱反应溶液在零下20°C至0°C的温度进行恒温处理；将经过表面处理的活泼金属放置在阴极活性材料的前驱反应溶液中，并且在零下20°C至O °C的温度进行搅拌浸镀。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括将浸镀后的活泼金属从前驱反应溶液中取出并冲洗吹干之后，用作析氢阴极材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述活泼金属选自铜、铝、镍和不锈钢中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极活性材料的前驱反应溶液选自氯钼酸溶液、硝酸银溶液和氯金酸溶液中的一种。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述氯钼酸溶液为lmg/L-100mg/L的乙醇溶液。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面处理包括用碱性溶液浸泡去除所述活泼金属的表面油脂以及用高氯酸或硫酸浸泡去除所述活泼金属的表面氧化层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述搅拌浸镀的时间为5min-3h。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述搅拌浸镀的时间为10min-30min。
9.一种由上述权利要求1-9中任一项所述方法制备的析氢阴极材料在光电催化制氢中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种析氢阴极材料的低温制备方法及该析氢阴极材料的应用。所述方法包括如下步骤将活泼金属进行表面处理；将配制好的阴极活性材料的前驱反应溶液在零下20℃至0℃的温度进行恒温处理；将经过表面处理的活泼金属放置在阴极活性材料的前驱反应溶液中，并且在零下20℃至0℃的温度进行搅拌浸镀；以及将活泼金属取出并冲洗吹干之后，用作析氢阴极材料。本发明的制备方法在降低阴极材料制备成本的同时还提高了析氢性能。
文档编号C25B1/04GK103060839SQ201110319969
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月20日 优先权日2011年10月20日
发明者沈晓彦, 赵伟, 王文韬, 丁天朋, 段晓菲 申请人:新奥科技发展有限公司