Fe2P/NPC催化劑的制備及電解水制氫性能研究

周明輝

摘????? 要：為了量化分析Fe₂P/NPC催化劑的電解水制氫性能，分析了制備原理，對水溶液中催化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)，建立了Fe₂P/NPC催化劑在不對稱羰基烯條件下的光譜和熱力學(xué)分析，采用光譜特征分析的方法，進(jìn)行離子間耦合反應(yīng)，在丙基化催化作用條件下，構(gòu)建Fe₂P/NPC催化劑制備的化學(xué)降解模型，結(jié)合基化反應(yīng)特性，測試Fe₂P/NPC催化劑的成核速率和制備速率，根據(jù)電阻性能和伏安特性曲線分析，進(jìn)行電解水制氫性能分析。測試得知，設(shè)計的Fe₂P/NPC催化劑制備方法具有很好的萃取能力，幾種催化劑的加氫活性較好，電解水制氫性能較強，具有很好的化工應(yīng)用價值。

關(guān)? 鍵? 詞：Fe₂P/NPC;催化劑;電解水;制氫性能

中圖分類號：O661?? ????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）06-1095-04

Study on Preparation of Fe₂P/NPC Catalyst and Its Catalytic Activity for Hydrogen Production by Water Electrolysis

ZHOU Ming-hui

（Hebei Petrochemical Construction Engineering Quality Supervision Station， Shijiazhuang Hebei 050000， China）

Abstract： In order to quantitatively analyze the hydrogen production performance of Fe₂P/NPC catalyst through water electrolysis， the preparation principle of Fe₂P/NPC catalyst was analyzed， the oxidation reaction of Fe₂P/NPC catalyst in aqueous solution was carried out， and the spectral and thermodynamic analysis of Fe₂P/NPC catalyst under asymmetric carbonylene condition was established. The interion coupling reaction of Fe₂P/NPC catalyst was carried out by means of spectral characteristic analysis. The chemical degradation model of Fe₂P/NPC catalyst was constructed. Combined with the reaction characteristics of Fe₂P/NPC catalyst， the nucleation rate and preparation rate of Fe₂P/NPC catalyst were measured. According to the analysis of resistance performance and volt-ampere characteristic curve of Fe₂P/NPC catalyst， the hydrogen production performance of Fe₂P/NPC catalyst through water electrolysis was analyzed. The results showed that the designed preparation method of Fe₂P/NPC catalyst had good extraction ability， the hydrogenation activity of several catalysts was good， the hydrogen production performance through water electrolysis was strong， so it has good chemical application value.

Key words： Fe₂P/NPC; Catalyst; Water electrolysis; Hydrogen production performance

氫能作為最理想的綠色能源之一，具有無污染、儲備豐富、制備獲取過程簡單的優(yōu)點，目前較為常用的制氫手段是利用電解水的方法。在電解水的反應(yīng)過程中，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的陽極進(jìn)行析氧催化，其中涉及了4個電子的移動，但出現(xiàn)析氧過電位過高，或析氧動力反應(yīng)較差，則會在一定程度上降低電解水制氫的效率，且會限制催化劑的使用。因此，制備一種新型、綠色催化劑是提升水解制氫規(guī)模及效率的關(guān)鍵。近年來，學(xué)者們已研究了金屬類的催化劑，如Mn基、Ni基等催化劑，這些催化劑原料具有活性高、成本低等優(yōu)點備受研究矚目，但其在導(dǎo)電過程中存在穩(wěn)定性差的因素，無法被廣泛應(yīng)用至制氫的領(lǐng)域中^[1]。為提升制氫性能，提升催化劑穩(wěn)定性，本文將以Fe₂P/NPC作為水解催化劑。Fe₂P/NPC催化劑是重要的氧化集，通過研究催化劑的制備及電解水制氫性能，分析成核速率和制備過程中電解水制氫性能的相關(guān)性關(guān)系，提高催化劑的電解水制氫性能。通過Fe₂P/NPC催化劑的優(yōu)化制備，結(jié)合對化學(xué)反應(yīng)特性進(jìn)行催化劑活性特性分析，建立Fe₂P/NPC催化劑的化學(xué)惰性調(diào)節(jié)模型，及電解水制氫性能分析模型，進(jìn)行催化劑的隔離作用和電子調(diào)控作用分析，通過不同的反應(yīng)溶劑在制備過程中的降解性能研究，提高Fe₂P/NPC催化劑的化學(xué)穩(wěn)定性^[2]。隨著熱解溫度的提高，F(xiàn)e₂P/NPC催化劑在不同熱解時間中的電解水制氫不同，因此研究Fe₂P/NPC催化劑的制備及電解水制氫性能具有重要意義。

1? 試驗

1.1? 試劑與儀器

在國藥集團化學(xué)制藥有限公司采購純度規(guī)格均為分析純的Ni-MOF-74 [Ni₂（DHTP）（H₂O）₂·8H₂O]，用量為1 g、HNO₃溶液，用量為10 mL;在阿法埃莎天津化學(xué)有限公司采購純度規(guī)格均為分析純的DHTA，用量為20 mL、Cu/Al₂O₃溶液，用量為30 mL，以及CuSO₄溶液，用量為120 mL。

選用工作電壓為200 kV的JEOL 2100F型場發(fā)射高分辨率透射電子顯微鏡、Rigaku MiniFlex 600型X射線衍射儀、石墨單色器，以及IXRF SDD 2610型能譜儀。

1.2? Fe₂P/NPC催化劑的化學(xué)制備原理

根據(jù)不同熱解時間和溫度進(jìn)行Fe₂P/NPC催化劑的制備過程優(yōu)化，在外碳源引入的條件下，采用Perkin-Elmer Pyris1熱重分析儀對合成的Fe₂P/NPC催化劑進(jìn)行TGA測試，在500 ℃下焙燒下，進(jìn)行氧化性特征分析，建立Fe₂P/NPC催化劑的離子交換模型，在聚合物作用下，進(jìn)行聚合轉(zhuǎn)化率測定，得到Fe₂P/NPC催化劑的化學(xué)制備原理如圖1所示。

在Fe₂P/NPC催化劑合成制備過程中，采用以 Ni-MOF-74 為前驅(qū)體，通過配體2，5-二羥基對苯二甲酸（DHTA）進(jìn)行降解處理的Ni₂ （DHTP） （H₂O）₂·8H₂O作為氧化劑，在K₂Si₄O₉作為載體的情況下，制備Fe₂P/NPC催化劑的衍生物，將金屬納米粒子通過熱解法禁錮在一個小的空間，再通過2，5-二羥基對苯二甲酸（DHTA）合成PS-b- PVDC-b-PS三嵌段共聚物，根據(jù)上述分析，構(gòu)建了Fe₂P/NPC催化劑的化學(xué)制備原理結(jié)構(gòu)圖，通過調(diào)控?zé)峤鉁囟冗M(jìn)行Fenton 催化反應(yīng)，在優(yōu)化反應(yīng)條件下，通過溶膠-凝膠法制備的方法進(jìn)行Fe₂P/NPC催化劑的化學(xué)制備和優(yōu)化控制。通過上分析，使用Cu 基催化劑對Fe₂P/NPC分解的H₂O₂進(jìn)行再利用，使用 PE 膜將容器密封，實現(xiàn)Fe₂P/NPC催化劑的化學(xué)制備優(yōu)化^[3]。

1.3? Fe₂P/NPC催化劑的基化反應(yīng)特性

在不對稱羰基烯條件下，利用光譜和熱力學(xué)分析Fe₂P/NPC催化劑的基化反應(yīng)特性^[4]。在Cu/Al₂O₃催化劑作用下，分析Fe₂P/NPC催化劑的電解水制氫性能，根據(jù)反應(yīng)溶液pH 對 H₂O₂進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，生成羥基自由基，在 Cu/Al₂O₃催化劑上，通過液相色譜檢測的方法，進(jìn)行基化反應(yīng)特性分析，得到在三種催化劑下Fe₂P/NPC的基化反應(yīng)特性曲線如圖2所示。

分析圖2所示得知，F(xiàn)e₂P/NPC催化劑的電化學(xué)測試性能較好，F(xiàn)e₂P/NPC催化劑的XRD 圖譜中基礎(chǔ)晶面特征峰穩(wěn)定性較好，說明Fe₂P/NPC催化劑的制備過程具有很好的穩(wěn)定性^[5]。

2? Fe₂P/NPC催化劑的制備優(yōu)化

2.1? Fe₂P/NPC催化劑制備的化學(xué)降解模型

在Fe₂P/NPC催化劑制備的基化反應(yīng)特征分析的基礎(chǔ)上，在Fenton 催化體系中，進(jìn)行Fe₂P/NPC催化劑的化學(xué)降解模型構(gòu)造，在堿性條件下，分析Fe₂P/NPC的濃度對CuSO₄催化的影響，在Fe₂P/NPC催化作用下，進(jìn)行催化劑制備的化學(xué)降解特性分析^[6]，測試不同的工作溫度下Fe₂P/NPC催化劑的轉(zhuǎn)化率，得到測試結(jié)果如圖3所示。

分析得知，通過對Fe₂P/NPC催化劑流程的優(yōu)化控制，測試pH的變化下，進(jìn)行催化劑制備的化學(xué)降解特征分析^[7]，得到降解柱狀分布如圖4所示。

分析圖4得知，在優(yōu)化的制備流程，F(xiàn)e₂P/NPC催化劑溶液在pH=5.14的降解性能較好，考察Fe₂P/NPC催化劑反應(yīng)1 h后不同溶液pH，進(jìn)行電解水制氫性能分析^[8]。

2.2? 電解水制氫性能分析

在丙基化催化作用條件下，構(gòu)建Fe₂P/NPC催化劑制備的化學(xué)降解模型，結(jié)合基化反應(yīng)特性，測試Fe₂P/NPC催化劑的成核速率和制備速率，進(jìn)行電解水制氫性能分析，選取 H₂O₂初始濃度，進(jìn)行丙基化催化的典型循環(huán)伏安曲線分析，采用多元回歸擬合分析的方法，測試電解水制氫性能，分析Fe₂P/NPC催化劑的伏安特性^[9]，得到Fe₂P/NPC催化劑的伏安特性測試結(jié)果見表1。

根據(jù)表1的Fe₂P/NPC催化劑的伏安特性測試結(jié)果，進(jìn)行電解水制氫性能分析，提高Fe₂P/NPC催化劑的穩(wěn)定性。

3? 實驗測試分析

加入固定催化劑用量1 g/L，由不同濃度的 HNO₃溶液組成電解質(zhì)溶液，分析Fe₂P/NPC催化劑的制備及電解水制氫性能，考察反應(yīng)1 h后不同溶液pH特性，并結(jié)合電阻特性，在非均相Fenton催化體系下，進(jìn)行Fe₂P/NPC催化劑的電解特性測試^[10-13]，得到測試數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)表2所示的Fe₂P/NPC催化劑電化學(xué)測試結(jié)果，進(jìn)行Fe₂P/NPC催化劑的氧化質(zhì)量活性特征分析，由不同濃度的 HNO₃溶液組成電解質(zhì)，得到不同調(diào)控?zé)峤鉁囟认碌碾娊夥植继卣魅鐖D5所示。

在此基礎(chǔ)上，采用多組分催化的方法，進(jìn)行統(tǒng)計回歸分析和最小二乘擬合方法，取1 200份樣品試劑，進(jìn)行Fe₂P/NPC催化劑的電解水制氫性能測試，得到在 pH=10條件下不同濃度下Fe₂P/NPC催化劑的電解水制氫活性，得到對比結(jié)果見表3。

根據(jù)表3中的結(jié)果，測試2，5-二羥基對苯二甲酸（DHTA）對各催化劑的活化性能，并分析Fe₂P/NPC催化劑對電氧化質(zhì)量活性分布，得到結(jié)果見表4。

根據(jù)上述統(tǒng)計分析結(jié)果，測試Fe₂P/NPC催化劑的電解水制氫性能，得出設(shè)計的Fe₂P/NPC催化劑制備方法具有很好的萃取能力，幾種催化劑的加氫活性較好，電解水制氫性能較強，具有很好的化工應(yīng)用價值。

4 ?結(jié) 語

通過不同的反應(yīng)溶劑進(jìn)行Fe₂P/NPC催化劑的制備過程中的降解性能研究，提高Fe₂P/NPC催化劑的化學(xué)穩(wěn)定性。催化劑的制備原理，對水溶液中的催化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)。經(jīng)實驗結(jié)果分析可知，本文制備Fe₂P/NPC催化劑的方法具有很好的萃取能力，具有較高的化工應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]阿布力米提·阿布都卡德爾， 張永紅， 張增鵬， 等. 基于C—H鍵官能團化/環(huán)化串聯(lián)策略構(gòu)建吲哚酮分子骨架的研究進(jìn)展[J]. 有機化學(xué)， 2016， 36（5）： 875-888.

[2]杜敏， 宋滇， 謝玲， 周愉翔，等. 靜電紡絲在高效可逆離子電池儲能中的應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報，2018，32（19）：3281-3294.

[3]宋旭，陸勇俊， 石明亮， 等. 集流體塑性變形對鋰離子電池雙層電極中鋰擴散和應(yīng)力的影響[J]. 物理學(xué)報， 2018， 67（14）： 30-37.

[4]肖利，陳浩，夏志美，等.鋰離子電池三元正極材料包覆工藝研究進(jìn)展[J]. 功能材料， 2018，49（6）： 6015-6022.

[5]王清宇， 常宏宏， 魏文瓏， 等. 氮雜環(huán)丙烷環(huán)加成反應(yīng)的研究進(jìn)展[J]. 有機化學(xué)， 2016， 36（5）： 939-953.

[6]翠翠，楊麗芬，王悅，等.伯胺N_（1923）從離子吸附型稀土浸出液中萃取分離稀土與鋁[J].中國稀土學(xué)報，2019，37（3）：351-360.

[7]李潔，張新金.促紅細(xì)胞生成素保護(hù)心肌缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展[J/OL].中西醫(yī)結(jié)合心腦血管病雜志，2018（22）：3277-3279.

[8]王藝霏，韓春英，張麗丹，等.羥丙基甲基纖維素接枝丙烯酸甲酯/醋酸乙烯酯新型固沙劑的合成及應(yīng)用[J].北京化工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，41（03）：82-87.

[9]鄭路敏，鐘淑英，徐波，等.鋰離子電池正極材料Li₂MnO₃稀土摻雜的第一性原理研究[J]. 物理學(xué)報， 2019， 68（13）： 284-292.

[10]胡艷軍， 馬文超， 吳亞男， 等. 不同來源污泥熱解油中多環(huán)芳烴分布特征[J]. 化工學(xué)報， 2016， 67（7）： 3016-3022.

[11]高旭升， 劉光， 史沁芳， 等. 鈷鐵雙金屬氧化物多孔納米棒的制備及其電解水析氧性能[J]. 無機化學(xué)學(xué)報， 2017，16（4）：18-24.

[12]周燕強， 陳萌， 徐立軍， 等. Pt/MoC的制備及其在電解水析氫反應(yīng)中的催化性能[J]. 精細(xì)化工， 2018， 7（11）：1921-1927.

[13]王培燦， 雷青， 劉帥， 等. 電解水制氫MoS₂催化劑研究與氫能技術(shù)展望[J]. 化工進(jìn)展， 2019， 38（1）： 285-297.