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CN107159282A - 一种碳纤维负载CoWP催化剂及制备方法 - Google Patents

一种碳纤维负载CoWP催化剂及制备方法 Download PDF

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CN107159282A CN201710190651.5A CN201710190651A CN107159282A CN 107159282 A CN107159282 A CN 107159282A CN 201710190651 A CN201710190651 A CN 201710190651A CN 107159282 A CN107159282 A CN 107159282A
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Abstract

本发明公开了一种碳纤维负载CoWP催化剂及制备方法，属于氢能及燃料电池领域。该催化剂是由碳纤维布和表面钴、钨、磷组成，通过电沉积法将三种元素负载于碳纤维表面。本发明先将碳纤维进行预处理除杂，然后通过两步电沉积法分别将钴、钨、磷负载在碳纤维表面。本发明催化剂具有成本低、高产氢速率、性能稳定等催化性能。

Description

一种碳纤维负载CoWP催化剂及制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维负载CoWP催化剂及制备方法，具体是一种基于碳纤维布负载非贵金属合金并用于硼氢化钠溶液水解制氢的催化剂及其制备方法，属于氢能及燃料电池技术领域。
背景技术
随着全球工业化的发展，人们对能源的需求越来越高，但是传统能源已经很难满足工业的需求，为了应对这一问题，不少科学家都把目光投向了氢能源。
氢能一般是通过氢气和氧气发生反应从而释放能量。氢能是氢的化学能，氢往往是以化合态的形式存在于地球上，也是宇宙中广泛存在的物质，宇宙质量中有百分之七十五与氢有关，可以说有很大的发展前景。
能源是我们人类生产力得以发展的必需品，而传统能源往往污染较大，但是氢能却与传统能源相反，它以清洁著称，不仅如此氢能在大自然中储量丰富，可以减轻传统能源的压力，而且可以保护环境。作为能源，氢能具有以下特点：
1.氢几乎没有毒害，燃烧氢气时虽然会产生物质，但是那些物质对于人类生活是基本没有毒的。所以相较于其他能源，氢能是绿色的能源。与此同时，通过一些化学处理，氮化氢是可以对环境无害。
2.有许多方式都能使用氢能，氢能可以在电动机中做功，并且也可以做成燃料电池供无人机使用，同时使用氢能的技术简单便利，没有太多复杂的工序。
3.氢质量小，氢可以以多种方式存在，固态，液态都可以，并且储备充足。
产氢技术目前已有不少，但大体还不完善。水解产氢虽然简单，但是能耗非常高，需要的很大的成本，所以只有少数情况下才会使用，比如氯碱工业。化工厂和一些化工过程中也会生产一些氢气，但这些都不是目前的生产氢的主流方式，所以我们研究关于硼氢化钠水解产氢的催化剂是有意义的。
本专利以硼氢化钠水解产氢，在室温下，氢气可以通过硼氢化钠水解来制得，若要加快产氢速度，则需要在产氢液中放入一些特定催化剂，而本专利就是围绕不同电沉积条件下制备的碳纤维催化剂对产氢速度的影响。同时加入催化剂硼氢化钠产氢优势明显，不仅反应简单，容易控制，而且生产的氢气纯度高，且制备氢气过程中非常安全。
许多金属都可以作为硼氢化钠水解产氢的催化剂，例如，Ru、Pt、Pt–Pd，合金负载型和非负载型是贵金属催化剂的主要两个类型，而可以作为产氢催化剂的贵重金属往往是过渡和铂系金属。由于贵金属催化剂往往比较昂贵，且副产物一般无法循环使用，所以并不利于工业生产，于是不少专家学者研究了其他方法制备产氢催化剂，有不少非贵金属也可以作为产氢催化剂，而本专利是以碳纤维为载体，将钴，钨，磷等元素通过电沉积镀在碳纤维上，将其制作成产氢催化剂。
发明内容
本发明目的在于提供一种碳纤维负载CoWP催化剂及制备方法(以下统称CoWP/CC)，该催化剂是由碳纤维布和表面钴、钨、磷组成，通过电沉积法将三种元素负载于碳纤维表面，具有成本低、高产氢速率、性能稳定等催化性能。
本发明通过以下技术方案实现：
一种碳纤维负载CoWP/CC催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）碳纤维布的预处理
将碳纤维布浸泡在无水乙醇中，于30-60℃下超声波机械振荡10-30min，充分清洗其表面油污，将乙醇浸泡后的碳纤维布用去离子水超声，然后浸在0.01 mol/L的盐酸中磁力搅拌5-10min。用去离子水超声振荡清洗10-30min，以除其表面的氧化物；
（2）电沉积1
将碳纤维浸渍于氯化钴，硼酸混合溶液中，温度30-60℃电流密度0.1-5 A/cm2条件下进行电沉积5-30mins，将碳纤维取出，去离子水冲洗干净；
（3）浸渍
将经过电沉积1的碳纤维放入氯化钴溶液中浸渍0.5-3小时；
（4）电沉积2
将碳纤维浸渍于0.01-5M钨酸钠，0.1-2M次亚磷酸钠混合溶液中，温度30-60℃电流密度0.1-5A/cm2 条件下进行电沉积5-30min，将碳纤维取出，去离子水，无水乙醇冲洗干净；
（5）烘干
将经过电沉积2的碳纤维放入50℃干燥箱烘干12小时。
进一步的，电沉积1和电沉积2过程中的温度为40-50℃。
进一步的，电沉积1和电沉积2过程中的电流密度0.5-2A/cm2。
一种碳纤维负载CoWP/CC催化剂，碳纤维是多孔分布，面密度为150-300g/m2
本发明的有益效果：本发明的CoWP/CC催化剂具有产氢率较高、分布致密、性能稳定等优点。利用电沉积法制备合金催化剂，并将其用于硼氢化钠水解制氢气的催化反应，制备的氢气可以充当质子交换膜燃料电池的氢源。通过改变镀液的pH 值、电流密度，沉积时间，溶液浓度等工艺参数，考察了各项工艺参数对制氢速率的影响。实验发现，随着镀液中的元素P含量的变化，载体表面得到具有不同形貌的催化剂颗粒。同样考察了电流密度和沉积时间对制氢速率的影响。
附图说明
如图1所示，为本发明中电沉积法制备CoWP/CC催化剂的SEM照片。
图2是催化剂CoWP/CC的XRD图谱。
图3是在制备CoWP/CC催化剂过程中不同P元素含量对硼氢化钠制氢速率的影响规律。
图4是在CoWP/CC催化剂在硼氢化钠制氢过程中性能稳定性的测试结果。
具体实施方式
实施例1
将碳纤维布浸泡在无水乙醇中，于25℃下超声波机械振荡10min，然后浸在0.01 M的盐酸中磁力搅拌5min。用去离子水超声振荡清洗10min。
电沉积1中将碳纤维浸渍于氯化钴，硼酸混合溶液中，温度40℃电流密度900mA/cm2条件下进行电沉积10、20、30、40mins，将碳纤维取出，去离子水冲洗干净。
将经过电沉积1的碳纤维放入氯化钴溶液中浸渍2.5小时。
将碳纤维浸渍于0.05M钨酸钠，0.1M次亚磷酸钠混合溶液中，温度50℃电流密度600mA/cm2 条件下进行电沉积10min，将碳纤维取出，去离子水，无水乙醇冲洗干净。
将经过电沉积2的碳纤维放入50℃干燥箱烘干12小时。
实施例2
将碳纤维布浸泡在无水乙醇中，于25℃下超声波机械振荡10min，然后浸在0.01 M的盐酸中磁力搅拌5min。用去离子水超声振荡清洗10min。
电沉积1中将碳纤维浸渍于氯化钴，硼酸混合溶液中，温度40℃电流密度300、500、700、900mA/cm2条件下进行电沉积20mins，将碳纤维取出，去离子水冲洗干净。
将经过电沉积1的碳纤维放入氯化钴溶液中浸渍2.5小时。
将碳纤维浸渍于0.05M钨酸钠，0.1M次亚磷酸钠混合溶液中，温度50℃电流密度600mA/cm2 条件下进行电沉积10min，将碳纤维取出，去离子水，无水乙醇冲洗干净。
将经过电沉积2的碳纤维放入50℃干燥箱烘干12小时。
实施例3
将碳纤维布浸泡在无水乙醇中，于25℃下超声波机械振荡10min，然后浸在0.01 M的盐酸中磁力搅拌5min。用去离子水超声振荡清洗10min。
电沉积1中将碳纤维浸渍于氯化钴，硼酸混合溶液中，温度40℃电流密度900mA/cm2条件下进行电沉积20mins，将碳纤维取出，去离子水冲洗干净。
将经过电沉积1的碳纤维放入氯化钴溶液中浸渍0.5、1、1.5、2、2.5小时。
将碳纤维浸渍于0.05M钨酸钠，0.1M次亚磷酸钠混合溶液中，温度50℃电流密度600mA/cm2 条件下进行电沉积10min，将碳纤维取出，去离子水，无水乙醇冲洗干净。
将经过电沉积2的碳纤维放入50℃干燥箱烘干12小时。
实施例4
将碳纤维布浸泡在无水乙醇中，于25℃下超声波机械振荡10min，然后浸在0.01 M的盐酸中磁力搅拌5min。用去离子水超声振荡清洗10min。
电沉积1中将碳纤维浸渍于氯化钴，硼酸混合溶液中，温度40℃电流密度900mA/cm2条件下进行电沉积20mins，将碳纤维取出，去离子水冲洗干净。
将经过电沉积1的碳纤维放入氯化钴溶液中浸渍2.5小时。
将碳纤维浸渍于0.05M钨酸钠，0.1M次亚磷酸钠混合溶液中，温度50℃电流密度600mA/cm2 条件下进行电沉积5、10、15、20min，将碳纤维取出，去离子水，无水乙醇冲洗干净。
将经过电沉积2的碳纤维放入50℃干燥箱烘干12小时。

Claims (4)

1.一种碳纤维负载CoWP/CC催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）碳纤维布的预处理
将碳纤维布浸泡在无水乙醇中，于30-60℃下超声波机械振荡10-30min，清洗其表面油污，将乙醇浸泡后的碳纤维布用去离子水超声，然后浸在0.01 mol/L的盐酸中磁力搅拌5-10min。用去离子水超声振荡清洗10-30min，以除其表面的氧化物；
（2）电沉积1
将碳纤维浸渍于氯化钴，硼酸混合溶液中，温度30-60℃电流密度0.1-5 A/cm2条件下进行电沉积5-30mins，将碳纤维取出，去离子水冲洗干净；
（3）浸渍
将经过电沉积1的碳纤维放入氯化钴溶液中浸渍0.5-3小时；
（4）电沉积2
将碳纤维浸渍于0.01-5M钨酸钠，0.1-2M次亚磷酸钠混合溶液中，温度30-60℃电流密度0.1-5A/cm2 条件下进行电沉积5-30min，将碳纤维取出，去离子水，无水乙醇冲洗干净；
（5）烘干
将经过电沉积2的碳纤维放入50℃干燥箱烘干12小时。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维负载CoWP/CC催化剂的制备方法，其特征在于：电沉积1和电沉积2过程中的温度为40-50℃。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维负载CoWP/CC催化剂的制备方法，其特征在于：电沉积1和电沉积2过程中的电流密度0.5-2A/cm2。
4.一种碳纤维负载CoWP/CC催化剂，其特征在于：碳纤维是多孔分布，面密度为150-300g/m2。
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