[發明專利]催化劑及其應用

有效

• 申請號: 202011307523.2
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN113061932B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 楊世和;龍霞;陳柱文;鞠敏
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/052;C25B1/04
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 劉燚

本申請公開了催化劑及其應用。本申請的第一方面，提供插層材料，該插層材料在二維層狀錳氧化物的層間插有過渡金屬氫氧化物主板層。根據本申請實施例的插層材料，至少具有如下有益效果：二維層狀錳氧化物包括二維錳氧化物片層和層間的堿金屬陽離子，其類似于光合作用系統Ⅱ中產氧活性中心的原子結構使其可能具有較高的產氧催化穩定性，然而該化合物的OER催化活性非常低。發明人將TM LDHs的過渡金屬氫氧化物主板層作為插層插入到二維層狀錳氧化物的二維錳氧化物片層的層間結構后意外地發現，形成的插層材料作為OER催化劑使用時，可以在高電流密度條件下保持良好的較高的產氧催化活性，同時具有良好的穩定性。

技術領域

本申請涉及電催化領域，尤其是涉及催化劑及其應用。

背景技術

傳統能源的短缺以及環境問題的日益嚴峻，使得開發和利用可替代化石燃料的綠色能源成為全球關注的熱點問題。氫能由于能量密度高，燃燒產物清潔無污染等優點，受到人們的廣泛關注和研究。在眾多制備方法中，電催化分解水制氫法能夠大規模制備高純度氫氣，也是目前國際上認可的綠色氫能的唯一制備方法，其化學反應式為2H₂O→2H₂+O₂。該反應過程包括陰極產氫反應(hydrogen evolution reaction，HER)和陽極產氧反應(oxygen evolution reaction，OER)。反應動力學的限制使得需要提供高于理論分解電勢的過電勢來加速兩極反應，造成嚴重的電能損失。因此，需要高效的催化劑來降低反應能壘進而提高水分解反應速度。相較于陰極產氫反應，OER反應的發生需要克服更大的能壘，所以OER催化劑的性能很大程度上決定了水分解制氫的效率。貴金屬氧化物如氧化銥、氧化釕等具有良好的堿性產氧活性，然而稀缺的元素儲量和高昂的價格限制了其大規模的應用。發展由非貴金屬元素構成的高效廉價且易于制備的OER催化劑是提高電化學分解水制氫效率和降低成本的關鍵。

層狀雙羥基化合物(layereddoublehydroxides，LDHs)是一種由帶正電荷的金屬氫氧化物主板層與可交換的層間陰離子構成的二維層狀化合物。其中，由具有活躍d電子從而具有催化活性的過渡元素如鐵、鎳、鈷、錳、鋅、鈦等構成主板層的LDH稱為過渡金屬基層狀雙羥基化合物(transition metals based layered double hydroxides，TM LDHs)。相比于過渡金屬氫氧化物，TM LDHs由于層間陰離子的存在而具有更開放的微觀結構，在催化反應中，電解液及反應物的可及面積更大，因而具有明顯提高的催化產氧效果。另外，通過減小TM LDHs材料的尺寸和厚度、在表面制備缺陷、制備多級復雜結構等方式都能夠進一步增強TM LDHs的催化性能。因此，在目前已報道的非貴金屬OER催化劑中，TM LDHs已經成為研發的一大熱點。

然而隨著進一步的研究發現，TM LDHs的高催化活性在高電流密度條件下并不明顯而且穩定性不高，很難適用于工業電解水制氫。

發明內容

本申請旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本申請提出一種能夠在高電流密度下保持高催化活性和穩定性的催化劑及其應用。

本申請的第一方面，提供插層材料，二維層狀錳氧化物的層間插有過渡金屬氫氧化物主板層。

根據本申請實施例的插層材料，至少具有如下有益效果：

二維層狀錳氧化物(Birnessite型錳氧化物)的類似于光合作用系統Ⅱ中產氧活性中心(oxygen evolution cluster，OEC)的原子結構使其可能具有較高的產氧催化穩定性，然而該化合物的OER催化活性非常低。發明人以二維層狀錳氧化物的二維錳氧化物片層作為層板主體，以TM LDHs的過渡金屬氫氧化物主板層作為插層客體，形成的插層組裝體具有的超分子結構使其兼具TM LDHs和Birnessite的許多優點，在將該插層材料作為OER催化劑使用時，可以在高電流密度條件下保持良好的較高的產氧催化活性，同時具有良好的穩定性。