周明辉

摘      要：为了量化分析Fe₂P/NPC催化剂的电解水制氢性能，分析了制备原理，对水溶液中催化剂进行氧化反应，建立了Fe₂P/NPC催化剂在不对称羰基烯条件下的光谱和热力学分析，采用光谱特征分析的方法，进行离子间耦合反应，在丙基化催化作用条件下，构建Fe₂P/NPC催化剂制备的化学降解模型，结合基化反应特性，测试Fe₂P/NPC催化剂的成核速率和制备速率，根据电阻性能和伏安特性曲线分析，进行电解水制氢性能分析。测试得知，设计的Fe₂P/NPC催化剂制备方法具有很好的萃取能力，几种催化剂的加氢活性较好，电解水制氢性能较强，具有很好的化工应用价值。

关  键  词：Fe₂P/NPC;催化剂;电解水;制氢性能

中图分类号：O661       文献标识码： A       文章编号： 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

氢能作为最理想的绿色能源之一，具有无污染、储备丰富、制备获取过程简单的优点，目前较为常用的制氢手段是利用電解水的方法。在电解水的反应过程中，进行化学反应的阳极进行析氧催化，其中涉及了4个电子的移动，但出现析氧过电位过高，或析氧动力反应较差，则会在一定程度上降低电解水制氢的效率，且会限制催化剂的使用。因此，制备一种新型、绿色催化剂是提升水解制氢规模及效率的关键。近年来，学者们已研究了金属类的催化剂，如Mn基、Ni基等催化剂，这些催化剂原料具有活性高、成本低等优点备受研究瞩目，但其在导电过程中存在稳定性差的因素，无法被广泛应用至制氢的领域中^[1]。为提升制氢性能，提升催化剂稳定性，本文将以Fe₂P/NPC作为水解催化剂。Fe₂P/NPC催化剂是重要的氧化集，通过研究催化剂的制备及电解水制氢性能，分析成核速率和制备过程中电解水制氢性能的相关性关系，提高催化剂的电解水制氢性能。通过Fe₂P/NPC催化剂的优化制备，结合对化学反应特性进行催化剂活性特性分析，建立Fe₂P/NPC催化剂的化学惰性调节模型，及电解水制氢性能分析模型，进行催化剂的隔离作用和电子调控作用分析，通过不同的反应溶剂在制备过程中的降解性能研究，提高Fe₂P/NPC催化剂的化学稳定性^[2]。随着热解温度的提高，Fe₂P/NPC催化剂在不同热解时间中的电解水制氢不同，因此研究Fe₂P/NPC催化剂的制备及电解水制氢性能具有重要意义。

1  试验

1.1  试剂与仪器

在国药集团化学制药有限公司采购纯度规格均为分析纯的Ni-MOF-74 [Ni₂（DHTP）（H₂O）₂·8H₂O]，用量为1 g、HNO₃溶液，用量为10 mL;在阿法埃莎天津化学有限公司采购纯度规格均为分析纯的DHTA，用量为20 mL、Cu/Al₂O₃溶液，用量为30 mL，以及CuSO₄溶液，用量为120 mL。

选用工作电压为200 kV的JEOL 2100F型场发射高分辨率透射电子显微镜、Rigaku MiniFlex 600型X射线衍射仪、石墨单色器，以及IXRF SDD 2610型能谱仪。

1.2  Fe₂P/NPC催化剂的化学制备原理

根据不同热解时间和温度进行Fe₂P/NPC催化剂的制备过程优化，在外碳源引入的条件下，采用Perkin-Elmer Pyris1热重分析仪对合成的Fe₂P/NPC催化剂进行TGA测试，在500 ℃下焙烧下，进行氧化性特征分析，建立Fe₂P/NPC催化剂的离子交换模型，在聚合物作用下，进行聚合转化率测定，得到Fe₂P/NPC催化剂的化学制备原理如图1所示。

在Fe₂P/NPC催化剂合成制备过程中，采用以 Ni-MOF-74 为前驱体，通过配体2，5-二羟基对苯二甲酸（DHTA）进行降解处理的Ni₂ （DHTP） （H₂O）₂·8H₂O作为氧化剂，在K₂Si₄O₉作为载体的情况下，制备Fe₂P/NPC催化剂的衍生物，将金属纳米粒子通过热解法禁锢在一个小的空间，再通过2，5-二羟基对苯二甲酸（DHTA）合成PS-b- PVDC-b-PS三嵌段共聚物，根据上述分析，构建了Fe₂P/NPC催化剂的化学制备原理结构图，通过调控热解温度进行Fenton 催化反应，在优化反应条件下，通过溶胶-凝胶法制备的方法进行Fe₂P/NPC催化剂的化学制备和优化控制。通过上分析，使用Cu 基催化剂对Fe₂P/NPC分解的H₂O₂进行再利用，使用 PE 膜将容器密封，实现Fe₂P/NPC催化剂的化学制备优化^[3]。

1.3  Fe₂P/NPC催化剂的基化反应特性

在不对称羰基烯条件下，利用光谱和热力学分析Fe₂P/NPC催化剂的基化反应特性^[4]。在Cu/Al₂O₃催化剂作用下，分析Fe₂P/NPC催化剂的电解水制氢性能，根据反应溶液pH 对 H₂O₂进行稳定性调节，生成羟基自由基，在 Cu/Al₂O₃催化剂上，通过液相色谱检测的方法，进行基化反应特性分析，得到在三种催化剂下Fe₂P/NPC的基化反应特性曲线如图2所示。

分析图2所示得知，Fe₂P/NPC催化剂的电化学测试性能较好，Fe₂P/NPC催化剂的XRD 图谱中基础晶面特征峰稳定性较好，说明Fe₂P/NPC催化剂的制备过程具有很好的稳定性^[5]。

2  Fe₂P/NPC催化剂的制备优化

2.1  Fe₂P/NPC催化剂制备的化学降解模型

在Fe₂P/NPC催化劑制备的基化反应特征分析的基础上，在Fenton 催化体系中，进行Fe₂P/NPC催化剂的化学降解模型构造，在碱性条件下，分析Fe₂P/NPC的浓度对CuSO₄催化的影响，在Fe₂P/NPC催化作用下，进行催化剂制备的化学降解特性分析^[6]，测试不同的工作温度下Fe₂P/NPC催化剂的转化率，得到测试结果如图3所示。

分析得知，通过对Fe₂P/NPC催化剂流程的优化控制，测试pH的变化下，进行催化剂制备的化学降解特征分析^[7]，得到降解柱状分布如图4所示。

分析图4得知，在优化的制备流程，Fe₂P/NPC催化剂溶液在pH=5.14的降解性能较好，考察Fe₂P/NPC催化剂反应1 h后不同溶液pH，进行电解水制氢性能分析^[8]。

2.2  电解水制氢性能分析

在丙基化催化作用条件下，构建Fe₂P/NPC催化剂制备的化学降解模型，结合基化反应特性，测试Fe₂P/NPC催化剂的成核速率和制备速率，进行电解水制氢性能分析，选取 H₂O₂初始浓度，进行丙基化催化的典型循环伏安曲线分析，采用多元回归拟合分析的方法，测试电解水制氢性能，分析Fe₂P/NPC催化剂的伏安特性^[9]，得到Fe₂P/NPC催化剂的伏安特性测试结果见表1。

根据表1的Fe₂P/NPC催化剂的伏安特性测试结果，进行电解水制氢性能分析，提高Fe₂P/NPC催化剂的稳定性。

3  实验测试分析

加入固定催化剂用量1 g/L，由不同浓度的 HNO₃溶液组成电解质溶液，分析Fe₂P/NPC催化剂的制备及电解水制氢性能，考察反应1 h后不同溶液pH特性，并结合电阻特性，在非均相Fenton催化体系下，进行Fe₂P/NPC催化剂的电解特性测试^[10-13]，得到测试数据见表2。

根据表2所示的Fe₂P/NPC催化剂电化学测试结果，进行Fe₂P/NPC催化剂的氧化质量活性特征分析，由不同浓度的 HNO₃溶液组成电解质，得到不同调控热解温度下的电解分布特征如图5所示。

在此基础上，采用多组分催化的方法，进行统计回归分析和最小二乘拟合方法，取1 200份样品试剂，进行Fe₂P/NPC催化剂的电解水制氢性能测试，得到在 pH=10条件下不同浓度下Fe₂P/NPC催化剂的电解水制氢活性，得到对比结果见表3。

根据表3中的结果，测试2，5-二羟基对苯二甲酸（DHTA）对各催化剂的活化性能，并分析Fe₂P/NPC催化剂对电氧化质量活性分布，得到结果见表4。

根据上述统计分析结果，测试Fe₂P/NPC催化剂的电解水制氢性能，得出设计的Fe₂P/NPC催化剂制备方法具有很好的萃取能力，几种催化剂的加氢活性较好，电解水制氢性能较强，具有很好的化工应用价值。

4  结 语

通过不同的反应溶剂进行Fe₂P/NPC催化剂的制备过程中的降解性能研究，提高Fe₂P/NPC催化剂的化学稳定性。催化剂的制备原理，对水溶液中的催化剂进行氧化反应。经实验结果分析可知，本文制备Fe₂P/NPC催化剂的方法具有很好的萃取能力，具有较高的化工应用价值。

参考文献：

[1]阿布力米提·阿布都卡德尔， 张永红， 张增鹏， 等. 基于C—H键官能团化/环化串联策略构建吲哚酮分子骨架的研究进展[J]. 有机化学， 2016， 36（5）： 875-888.

[2]杜敏， 宋滇， 谢玲， 周愉翔，等. 静电纺丝在高效可逆离子电池储能中的应用[J].材料导报，2018，32（19）：3281-3294.

[3]宋旭，陆勇俊， 石明亮， 等. 集流体塑性变形对锂离子电池双层电极中锂扩散和应力的影响[J]. 物理学报， 2018， 67（14）： 30-37.

[4]肖利，陈浩，夏志美，等.锂离子电池三元正极材料包覆工艺研究进展[J]. 功能材料， 2018，49（6）： 6015-6022.

[5]王清宇， 常宏宏， 魏文珑， 等. 氮杂环丙烷环加成反应的研究进展[J]. 有机化学， 2016， 36（5）： 939-953.

[6]翠翠，杨丽芬，王悦，等.伯胺N_（1923）从离子吸附型稀土浸出液中萃取分离稀土与铝[J].中国稀土学报，2019，37（3）：351-360.

[7]李洁，张新金.促红细胞生成素保护心肌缺血再灌注损伤的研究进展[J/OL].中西医结合心脑血管病杂志，2018（22）：3277-3279.

[8]王艺霏，韩春英，张丽丹，等.羟丙基甲基纤维素接枝丙烯酸甲酯/醋酸乙烯酯新型固沙剂的合成及应用[J].北京化工大学学报（自然科学版），2014，41（03）：82-87.

[9]郑路敏，钟淑英，徐波，等.锂离子电池正极材料Li₂MnO₃稀土掺杂的第一性原理研究[J]. 物理学报， 2019， 68（13）： 284-292.

[10]胡艳军， 马文超， 吴亚男， 等. 不同来源污泥热解油中多环芳烃分布特征[J]. 化工学报， 2016， 67（7）： 3016-3022.

[11]高旭升， 刘光， 史沁芳， 等. 钴铁双金属氧化物多孔纳米棒的制备及其电解水析氧性能[J]. 无机化学学报， 2017，16（4）：18-24.

[12]周燕强， 陈萌， 徐立军， 等. Pt/MoC的制备及其在电解水析氢反应中的催化性能[J]. 精细化工， 2018， 7（11）：1921-1927.

[13]王培燦， 雷青， 刘帅， 等. 电解水制氢MoS₂催化剂研究与氢能技术展望[J]. 化工进展， 2019， 38（1）： 285-297.