[發(fā)明專利]一種降低碳載金屬納米粒子電催化劑尺寸的電化學(xué)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010650293.3
• 申請日: 2020-07-08
• 公開（公告）號: CN111841663B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李瑞;徐勁松;曾榮光;唐濤
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院材料研究所
• 主分類號: B01J37/34
• 分類號: B01J37/34;B01J23/42;B01J23/52;B01J23/72
• 代理公司: 成都眾恒智合專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51239
• 代理人: 王育信

本發(fā)明公開了一種降低碳載金屬納米粒子電催化劑尺寸的電化學(xué)方法，通過構(gòu)筑電化學(xué)二電極或三電極體系，其中的工作電極為碳載金屬納米粒子電極，然后在電解液為堿金屬的堿溶液或鹽溶液中，直接對工作電極持續(xù)不斷地施加低于?1V的負電位，即可降低碳載金屬納米粒子催化劑尺寸。本發(fā)明操作簡便、耗能低、耗時短，既可用于小尺寸金屬催化劑的制備，又可用于團聚的金屬催化劑的再活化，很好地解決了現(xiàn)有技術(shù)難以將大尺寸金屬顆粒轉(zhuǎn)化為小尺寸粒子，或轉(zhuǎn)化過程中涉及高溫處理條件，不適合在電化學(xué)條件下應(yīng)用的問題，為小尺寸金屬催化劑在電解水、燃料電池等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的前置基礎(chǔ)。因此，本發(fā)明非常適于推廣應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種降低碳載金屬納米粒子電催化劑尺寸的電化學(xué)方法。

背景技術(shù)

金屬(如鉑、鈀、銅等)納米粒子電催化劑在析氫反應(yīng)、析氧反應(yīng)、氧還原反應(yīng)及二氧化碳還原反應(yīng)等電催化反應(yīng)中具有良好的催化活性，在氫能獲取、燃料電池等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。為增強金屬納米粒子催化劑的分散度及導(dǎo)電性，催化劑通常負載在碳材料(如導(dǎo)電炭黑、碳布)上，而后涂覆到電極表面或直接作為自支撐電極應(yīng)用于電催化反應(yīng)中。在電催化反應(yīng)中，金屬納米粒子的尺寸對催化活性影響很大。通常小尺寸的納米粒子具有更大的比表面積，更高的表面能，可實現(xiàn)更高的催化活性。若降低金屬納米粒子尺寸至原子尺度，則可對一些電催化反應(yīng)實現(xiàn)更高的催化活性和獨特的選擇性。然而，小尺寸金屬納米粒子或金屬原子表面能高，易聚集，因而制備難度極大。此外，在催化反應(yīng)過程中金屬納米粒子易發(fā)生遷移、團聚成大尺寸顆粒，降低其催化活性。如果將這些活性降低的催化劑體系中納米粒子的尺寸重新降低，再活化為小尺寸納米粒子將極大地恢復(fù)催化劑活性。所以，發(fā)展一種簡便有效降低金屬納米粒子尺寸的技術(shù)在催化劑制備及再活化領(lǐng)域中便具有了重要的意義。

目前，將大尺寸金屬顆粒轉(zhuǎn)化為小尺寸金屬粒子主要依靠反奧斯特瓦爾德熟化過程，即在高溫條件下引入合適基底，利用熱擴散破壞金屬金屬鍵，利用基底與金屬的強相互作用輔助穩(wěn)定小尺寸金屬粒子、原子簇乃至金屬單原子。然而，上述方法不僅需要高溫處理，條件苛刻，能源浪費嚴重；而且這種方法主要適合于粉體材料的制備，在應(yīng)用到電催化反應(yīng)中時需進一步引入粘結(jié)劑，不僅降低了催化劑電化學(xué)活性面積，還會阻礙電解液及氣體反應(yīng)物或產(chǎn)物的輸運，對析氫、析氧、氧還原等反應(yīng)的催化帶來不便，特別是降低電極在高電流密度下的催化活性及穩(wěn)定性。此外，將熱處理方法應(yīng)用于電催化劑再活化過程中，由于電催化劑使用條件與熱處理條件差異極大，操作將涉及催化劑從電極表面剝離、催化劑活化、催化劑重新涂覆等諸多步驟，不僅操作復(fù)雜耗時長，且該過程易損傷電極表面及整個電催化系統(tǒng)，其實際應(yīng)用嚴重受限。

因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員有必要開發(fā)一種能在電化學(xué)條件下有效降低碳載金屬納米粒子尺寸甚至獲取原子催化劑的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種降低碳載金屬納米粒子電催化劑尺寸的電化學(xué)方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)難以將大尺寸金屬顆粒轉(zhuǎn)化為小尺寸粒子，或轉(zhuǎn)化過程中涉及高溫處理條件，不適合在電化學(xué)條件下應(yīng)用的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種降低碳載金屬納米粒子電催化劑尺寸的電化學(xué)方法，構(gòu)筑電化學(xué)二電極或三電極體系，其中的工作電極為碳載金屬納米粒子電極，然后在電解液為堿金屬的堿溶液或鹽溶液中，直接對工作電極持續(xù)不斷地施加低于-1V的負電位，即可降低碳載金屬納米粒子催化劑尺寸。

作為優(yōu)選，對工作電極持續(xù)不斷地施加低于-1V的負電位，保持時間大于1min。

作為優(yōu)選，當構(gòu)筑電化學(xué)二電極體系時，采用鉑或石墨作為對電極。

或者，當構(gòu)筑電化學(xué)三電極體系時，采用鉑或石墨作為對電極，采用汞/氧化汞電極、銀/氯化銀電極、甘汞電極中的任意一種作為參比電極。

具體地，所述的碳載金屬納米粒子電極中，碳材料為石墨烯、碳納米管、碳布、碳紙、石墨箔及相應(yīng)摻雜物中的任意一種。