[發明專利]一種高效穩定的雙功能催化劑的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201711380347.3
• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號: CN109950558B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 程寒松;楊澤惠
• 申請（專利權）人: 武漢氫陽能源有限公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92;B01J23/89
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 高玲玲

本發明公開了一種二元、三元過渡金屬氫化物催化劑的制備方法及其在電催化析氫和燃料電池中的應用。催化劑的分子式為Pt/H_xM_aR_bY_cO₃，其中M、R、Y為三種不同的過渡金屬，x值為0.01～1，0≤a＜1、0≤b＜1、0≤c＜1，a+b+c＝1，催化劑中Pt質量含量為0.01％～20％。本申請的Pt/H_xM_aR_bY_cO₃作為電解水催化劑，其在酸性電解液中的電化學性能與商業化的碳載鉑催化劑性能相當，并且Pt/H_xM_aR_bY_cO₃具有極高的穩定性，且制備工藝簡單，容易放大，因此，能夠作為碳載鉑催化劑的替代品，有效的降低制氫成本。此類具有電催化析氫、氧還原反應的雙功能催化劑也未曾見報道。

技術領域

本發明屬于催化劑領域，特別涉及一種二元、三元過渡金屬氫化物的制備方法及其在電催化析氫和燃料電池中的應用。

背景技術

氫能是21世紀最理想的綠色能源，具有清潔、高效的優質特點。目前氫能的制備技術主要有三種，即化石燃料制氫，水分解制氫和生物質原料制氫。其中，電解水制氫技術因其工藝簡單、無污染、產品純度高、應用性強的技術特點成為世界各國的研究重點。利用可再生能源水作為最基本的原料進行水的電解制氫，目前電解水制氫所制的產量占氫氣總產量的5％，所制備的氫氣的純度為99.999％。電解水制氫時，在陰極，水分子分解為氫氧根離子(OH^-)和氫離子(H⁺)，氫離子得到一個電子生成氫原子，兩個氫原子結合進一步生成氫分子(H₂)；氫氧根離子(OH^-)則電場力作用下，穿過電解質膜，從陰極到達陽極，在陽極失去電子生成水分子和氧分子。但由于陰極析氫過電位的存在，水的電解效率較低，導致該工藝耗能巨大。目前工業上使用的電解水產氫催化劑是多以鉑為代表的貴金屬材料(碳載鉑)，價格昂貴且資源匱乏，因而開發低成本、高效能的電解水產氫催化劑是能源、催化和材料領域的研究熱點。質子交換膜燃料電池(PEFCs)是利用氫氣及氧氣作為燃料的一種新型清潔能源，其中陽極與陰極均采用鉑貴金屬催化劑，然而質子交換膜燃料電池面臨氧還原反應動力學慢、催化劑壽命短、價格昂貴等特點，導致質子交換膜燃料電池商業化進程緩慢。

近年來，開發雙功能催化劑受到廣發的關注，氮、磷、硫、硼等元素摻雜碳材料被廣泛的研究作為電催化析氧(OER)及氧還原反應(ORR)催化劑。過渡金屬磷、氮化物也長被作為電催化析氫(HER)及電催化劑析氧反應(OER)，即電解水催化劑。然而對于電催化析氫及氧還原反應雙功能催化劑的研究較少見諸報道。

發明人程寒松教授及其團隊通過長期的探索和研究，發現了一類過渡金屬氧化物具有良好的加/脫氫性能，且循環壽命高，此類材料加氫后變成電子導體。電化學析氫原理與加氫脫氧(HDO)、加氫脫氮(HDN)和加氫脫硫(HDS)類似，因此此類材料完全可成為高效穩定的電化學析氫催化劑。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的缺陷，提供一種具有高效穩定的電解水制氫及氧還原反應性能的雙功能催化劑，既Pt/H_xM_aR_bY_cO₃，并提供上述催化劑的制備方法以及應用。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種高效穩定的雙功能催化劑，所述催化劑的分子式為Pt/H_xM_aR_bY_cO₃，其中M、R、Y為兩種或三種不同的過渡金屬，x值為0.01～1，0≤a＜1、0≤b＜1、0≤c＜1，a+b+c＝1，催化劑中Pt質量含量為0.01％～20％。