[發(fā)明專利]一種用于電解水制氧的高熵配位聚合物催化劑及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2020-10-12
• 公開（公告）號: CN112191273B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹瑞國;雷占武;焦淑紅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: B01J31/22
• 分類號: B01J31/22;B01J35/00;C08G83/00;C25B1/04;C25B11/095
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 豆貝貝

本發(fā)明提供一種用于電解水制氧的高熵配位聚合物催化劑及其制備方法和應(yīng)用，由A反應(yīng)液和B反應(yīng)液反應(yīng)制得：所述A反應(yīng)液包括多種過渡金屬鹽溶液；多種過渡金屬鹽選自多種過渡金屬氯化物和/或多種過渡金屬硝酸鹽；所述B反應(yīng)液包括含雜原子有機配體溶液；多種過渡金屬鹽的物質(zhì)的量和溶劑的體積比為(0.1～100)mmol:(50～1000)ml；含雜原子有機配體的物質(zhì)的量和溶劑的體積比為(0.1～100)mmol:(50～1000)ml。催化劑中有機配體與多種過渡金屬鹽直接合成配位聚合物，作為分解水析氧催化劑，催化過電勢很小，電流密度大，穩(wěn)定性好。該催化劑在較高濃度的電解液中能承受大電流密度下長時間穩(wěn)定催化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電解水制氧催化劑技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于電解水制氧氣的高熵配位聚合物催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著科技快速發(fā)展，化石能源難以滿足現(xiàn)在的快速發(fā)展的節(jié)奏，對可持續(xù)的清潔能源提出更高的挑戰(zhàn)，迫切需要尋求新的解決方案來滿足現(xiàn)狀，急需開發(fā)新型能源轉(zhuǎn)換與存儲方式來彌補現(xiàn)在能源供需不足之處。目前，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)氫能能夠勝任現(xiàn)在的需求狀況，在獲取氫能的過程中，依靠太陽能直接電解水制氫，具有獨特的優(yōu)勢，有望實現(xiàn)氫能的規(guī)模化應(yīng)用。但是，在電解水過程中水氧化是制約電解水技術(shù)的瓶頸。因為在水分解過程中此反應(yīng)需要四個電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，從熱力學(xué)角度分析需要較高的活化能，故需要使用催化劑來加快反應(yīng)速率，克服高耗能這一現(xiàn)狀。

根據(jù)前期調(diào)研，商業(yè)化電解槽在電解水制氧過程中使用的催化劑主要使用釕、銥等貴金屬氧化物，而且直接將這些氧化物催化劑涂敷在電極表面，在催化反應(yīng)過程中，尤其是大電流密度條件下反應(yīng)時，由于大量氣泡引起的催化劑脫落，而引發(fā)的催化劑消耗特別嚴重，再加上這些貴金屬儲量低、價格高，增大電解水制氫成本。近來，把電解水制氧催化劑寄托于含量豐富的非貴金屬催化劑，并引起廣泛的研究熱潮，根據(jù)目前報道的催化劑結(jié)構(gòu)主要有以下幾類：非貴金屬氧化物/氫氧化物及雜原子摻雜、金屬有機框架化合物以及分子催化劑等。根據(jù)報道，這些催化劑展示出一定的催化活性與穩(wěn)定性，著眼工業(yè)應(yīng)用中對催化劑應(yīng)用環(huán)境的苛刻要求，以及報到的催化劑合成的方法、大電流密度穩(wěn)定性等方面分析，大部分報道的催化劑在商業(yè)化應(yīng)用中潛力較小。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于電解水制氧氣的高熵配位聚合物催化劑及其制備方法和應(yīng)用，該催化劑作為分解水析氧催化劑具有較高的催化活性，且穩(wěn)定性好。

本發(fā)明提供了一種用于電解水制氧的高熵配位聚合物催化劑，由A反應(yīng)液和B反應(yīng)液反應(yīng)制得：

所述A反應(yīng)液包括多種過渡金屬鹽溶液；多種過渡金屬鹽選自多種過渡金屬氯化物和/或多種過渡金屬硝酸鹽；

所述B反應(yīng)液包括含雜原子有機配體溶液；

所述過渡金屬鹽溶液中多種過渡金屬鹽的物質(zhì)的量和溶劑的體積比為(0.1～100)mmol:(50～1000)ml；

所述含雜原子有機配體溶液中含雜原子有機配體的物質(zhì)的量和溶劑的體積比為(0.1～100)mmol:(50～1000)ml。

優(yōu)選地，所述含雜原子有機配體選自吡嗪、嘧啶、4,4'-聯(lián)吡啶、1,2-二(4-吡啶基)乙烯、3,6-二-4-吡啶基-1,2,4,5-四嗪、1,2-雙(4-吡啶基)乙烷、1-(4-吡啶基甲基)哌嗪中的一種或多種。

優(yōu)選地，所述多種過渡金屬鹽中的金屬選自鐵、鈷、鎳、銅、鋅、錫、鉻、錳、鋯和釩中至少五種。

優(yōu)選地，所述A反應(yīng)液和B反應(yīng)液中的溶劑獨立地選自甲醇和乙醇中的一種或多種。

優(yōu)選地，所述多種過渡金屬鹽的物質(zhì)的量和溶劑的體積比為(5～10)mmol:50ml；

所述含雜原子有機配體溶液中含雜原子有機配體的物質(zhì)的量和溶劑的體積比為10～14mmol:50ml。