[發明專利]一種負載型單原子Pd催化劑及其制備方法和催化應用

在審

• 申請號: 201810463913.5
• 申請日: 2018-05-15
• 公開（公告）號: CN108777309A
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發明（設計）人: 張法智;王紅璐;徐杰
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M8/1011;B82Y30/00
• 代理公司: 北京太兆天元知識產權代理有限責任公司 11108
• 代理人: 張洪年

本發明公開了一種負載型單原子Pd催化劑及其制備方法和催化應用。本發明在NiFe水滑石載體上，采用光沉積還原法成功制備了負載型單原子Pd催化劑材料，并利用多種表征技術表征了單原子Pd催化劑材料的形貌、結構和價態等性質。本發明通過比較載體、單原子Pd催化劑和納米Pd催化劑的電催化氧化乙醇反應結果可知，單原子Pd催化劑對于電催化氧化乙醇反應有最佳的催化活性和穩定性。并且單原子Pd催化劑的氧化峰峰電流密度約是NiFe水滑石載體的5倍。經過不同氫氣還原處理后，單原子催化劑的電催化活性又有明顯提高，約是未還原處理樣品的1.5倍。

技術領域

本發明屬于催化劑技術領域，涉及一種負載型單原子Pd催化劑及其制備方法和催化應用，尤其是，利用光沉積還原法制備以水滑石為載體的負載型單原子Pd催化劑及其電催化氧化乙醇反應的應用。

背景技術

化石燃料持續消耗引起了嚴重的環境污染和能源枯竭問題。為了改善這種情況，發展清潔、高效的可再生能源及能源設備成為了當今社會的戰略目標。燃料電池是一種可以直接將化學能轉化成電能的裝置，且不受卡諾循環的影響，具有高效環保等優點。與直接甲醇燃料電池相比，乙醇燃料電池(DEFC)具有能量密度高(約為8.01kW·h/kg，能量效率為0.97)、來源廣泛、便于儲存和運輸、無毒等優點。目前DEFC主要存在兩個問題限制了其大規模商業應用。其一為DEFC的陽極催化劑易被乙醇氧化中間產物毒化，導致催化劑活性減弱；以及反應過程中主要氧化產物為不完全氧化產物乙酸和乙醛等，而不是可以實現12個電子轉移的CO₂，僅能釋放出小部分能量。因此在對乙醇催化氧化機理的深入探究的同時，抗毒化作用好以及活性較高的新型電催化劑的開發對發展DEFC具有重大意義。

直接乙醇燃料電池分為酸性介質的DEFC和堿性介質的DEFC。在堿性介質的DEF中，Pd基催化劑和Ni基催化劑引發了研究者的關注和研究。這是由于Pd對有機小分子醇類具有較高的電催化活性及穩定性。Ni基催化劑穩定好，但是催化活性不高。與非貴金屬相比，Pd貴金屬全球儲量極低、價格高。為了更好的提高乙醇電催化氧化的轉化效率，降低生產成本，在含鎳的水滑石載體上負載Pd的單原子是有效的辦法。在堿性介質中的電催化氧化乙醇反應中，含Ni基催化劑的電極上，乙醇氧化的催化活性主要取決于Ni(OH)₂/NiOOH氧化還原對之間相互的轉換。單原子Pd的存在加強乙醇及乙醇氧化中間產物的吸附和C-C鍵斷裂。同時鎳鐵水滑石反應中中間混合氧化物(鎳氧化物和鐵氧化物)也是電子轉移的良好媒介。

發明內容

針對上述問題，本發明通過使納米Pd催化劑甚至單原子Pd催化劑在水滑石載體上的高分散，避免電極表面覆蓋，以利于提高電催化氧化乙醇反應的活性和穩定性。

本發明提供了一種負載型單原子Pd催化劑及其制備方法和催化應用，利用光沉積還原法制備以水滑石為載體的負載型單原子Pd催化劑將其用于電催化氧化乙醇反應。

一種負載型單原子Pd催化劑，其特征在于，在光沉積還原后單原子Pd分布于水滑石載體層板上或者層板之間，其中Pd的負載量為0.1-0.3wt％。

優選的，所述水滑石載體是鎳鐵水滑石，Ni/Fe的摩爾比為3/1。

優選的，所述鎳鐵水滑石載體上Pd負載量為0.1wt％。

一種負載型單原子Pd催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)雙滴法制備水滑石載體；

(2)利用光沉積還原的方法將Pd離子以單原子Pd的形式還原負載在水滑石載體上。

優選的，所述步驟(1)中，所述水滑石載體是鎳鐵水滑石，Ni/Fe的摩爾比為3/1。

優選的，所述步驟(1)中，通過鎳鹽和鐵鹽制備所述鎳鐵水滑石，所述鎳鹽包括硝酸鎳、氯化鎳或硫酸鎳中的至少一種，所述鐵鹽包括硝酸鐵、氯化鐵或硫酸鐵中至少一種。