[發(fā)明專利]金屬硼化物水裂解催化劑、制備方法及其在電催化水裂解方面的應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810011644.9
• 申請日: 2018-01-05
• 公開（公告）號: CN108212157B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發(fā)明（設計）人: 鄒曉新;郭非凡;吳園園;李國棟;李紀紅
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B01J23/745
• 分類號: B01J23/745;B01J23/75;B01J23/755;B01J23/28;B01J23/30;B01J35/00;C25B1/04;C25B11/06
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

金屬硼化物水裂解催化劑、制備方法及其在電催化水裂解方面的應用，屬于電催化劑制備技術領域。本發(fā)明所述的金屬硼化物催化劑通過固相滲硼法制備，使用固體滲硼劑將過渡金屬包覆，程序升溫加熱進行滲硼處理。滲硼劑由必需的滲硼介質和非必需的活化劑和非必需的填充劑組成。相對于液體滲硼，固體滲硼法滲硼后表面清理難度低，對設備要求低，適用于各種過渡金屬的滲硼處理。本發(fā)明催化劑在堿性條件下具有極好的本征催化活性和穩(wěn)定性能：電流密度為10mA cm^?2時，所需過電勢為300mV～400mV；并且電催化水裂解析氧穩(wěn)定性均可長達至少100h，性能而不衰減，可替代貴金屬，促進電催化水裂解商業(yè)化應用。

技術領域

本發(fā)明屬于電催化劑制備技術領域，具體涉及一系列高效金屬硼化物水裂解催化劑、制備方法及其在電催化水裂解方面的應用。

背景技術

在新能源的開發(fā)研究中，氫氣由于具有燃燒值高、產(chǎn)物無污染和利用形式多樣化等諸多優(yōu)點而廣受關注。二十一世紀，中國、美國、日本、加拿大、歐盟和澳大利亞等都制定了氫能發(fā)展規(guī)劃，并且已在該領域取得多方面的進展。目前開發(fā)的可再生新能源生產(chǎn)和儲存技術中，電化學水裂解制氫、燃料電池、金屬-空氣電池等能量轉化和儲存裝置以效率高、結構簡單、環(huán)境友好和應用范圍廣等優(yōu)點受到廣泛關注。在不久的將來，氫能技術和應用有望成為現(xiàn)實，氫燃料電池和氫能汽車產(chǎn)業(yè)化及市場化認為是能源發(fā)展的重要標志。其中析氧反應(OER)在這些能量轉化和儲存中扮演了重要角色。但因其緩慢的動力學反應嚴重限制著水的電解效率，良好的催化劑可降低析氧反應的過電勢，加快其動力學反應。目前，性能優(yōu)異的貴金屬催化劑(RuO₂、IrO₂等)成本高昂且儲量稀少，極大地限制了其規(guī)模化生產(chǎn)與應用。因此，人們一直在探索可替代的非貴金屬催化劑材料。

近年來，過渡金屬氧化物和氫氧化物作為OER反應的替代催化劑已經(jīng)進行了廣泛的研究。其中，T.F.Jaramillo等研究了一系列非貴金屬催化劑，指出鎳鐵復合氧化物相對其他氧化物來說具有更高的水氧化催化活性(J.Am.Chem.Soc.， 2013年135卷16977頁)。Berlinguette和Geng研究者分別采用光驅動方法和氣溶膠噴霧方法合成了無定形的鎳鐵氧化物，擁有較低的水氧化過電勢(Science， 2013年340卷60頁；Angew.Chem.Int.Ed.，2014年126卷7677頁)。W.Li等人制備了碳負載的尺寸為4nm的鎳鐵氧化物納米粒子，發(fā)現(xiàn)當鐵的含量占31％時，即Ni_0.69Fe_0.31O_x/C表現(xiàn)了最優(yōu)異的水氧化催化性能，當電流密度為10mAcm^-2時，過電勢僅為280mV(Langmuir，2014年30卷7893頁)。J.R.Kitchin分別利用自然蒸發(fā)、硬模板和浸涂的方法合成出的鎳鐵氧化物和單一元素氧化物，并研究了其水氧化催化性能，發(fā)現(xiàn)鎳鐵氧化物的性能都要優(yōu)于單一元素氧化物，并提出Fe可能是雙金屬氧化物中的活性位點(ACS Catal.，2012年2卷1793頁)。 A.T.Bell文章中系統(tǒng)地研究了一系列由電沉積方法得到的鎳鐵氧化物薄膜結構與電催化水氧化性能之間的關系，作者認為鎳鐵氧化物薄膜中起催化作用的活性位點是Ni，F(xiàn)e的存在只是改變了Ni的氧化還原性質，造成Ni(OH)₂/NiOOH的電位正向移動，降低了Ni的平均價態(tài)，提高了Ni在催化反應中的活性(J.Am.Chem.Soc.，2013年135卷12329頁)。但在大部分的研究中，研究者們通常通過增加給定電極上的活性位點數(shù)量，提高分散度，增加活性位點暴露的數(shù)目，以提高催化劑的催化活性。而增加每個催化位點的本征活性，才是催化研究之關鍵。增加本征活性導致電極活性的直接提高，減輕由高負載量引起的運輸問題，同等條件下，可以降低催化劑的用量，節(jié)約催化劑成本。催化劑的本征活性具有更廣闊的提升空間。