[發明專利]一種電催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110255260.3
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113136600B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 劉碧錄;羅雨婷;張致遠
• 申請（專利權）人: 清華-伯克利深圳學院籌備辦公室
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;C25B11/081;C25B11/052;C25B1/04;C23C14/04;C23C14/06;C23C14/18;C23C14/34;C23C14/30;C23C14/58;C25B9/23
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 張建珍

本發明公開了一種電催化劑及其制備方法和應用，該電催化電極包括導電非催化活性支撐件和若干電催化活性單元，各電催化活性單元設于導電非催化活性支撐件的表面，且呈周期性陣列分布。該電催化劑上的電催化活性單元通過采用周期性陣列分布，使得對電催化劑施加外電壓時，電催化活性單元可自發地發生電場增強效應，從而可提高電催化性能，同時可減少電催化活性材料的用量。

技術領域

本發明涉及電化學技術領域，尤其是涉及一種電催化電極及其制備方法和應用。

背景技術

在全球實現碳中和要求的大背景下，為解決目前全世界范圍面臨的環境污染與能源短缺問題，當下以化石燃料為主導的能源系統需要進行轉型。電化學能源技術因其清潔、高效等優點被認為是未來能源系統的主要技術。電化學制氫、電化學氮還原和電化學二氧化碳還原等電化學能源技術可以與風能、太陽能等新能源技術耦合，進而將清潔電能轉換成化學能存儲在氫氣、氨以及有機化合物中，實現能源的清潔轉換和規模化輸運及應用，避免能源浪費。同時，燃料電池等電化學能源技術的效率不受卡諾循環限制，可以實現儲存在化合物中化學能向電能的高效轉化。然而，受制于電化學反應的高動力學能壘，當前電化學能源技術的效率較低，這阻礙了其大規模應用。利用電催化劑降低電化學反應能壘進而提高能量轉化效率，是各類電化學技術規模應用的前提。當前，提高電催化劑效率并降低含昂貴金屬的電催化活性材料的用量是電化學能源技術需要解決的核心問題之一。

近年來，研究人員通過化學成分調控、缺陷調控、應力調控和基底調控等方式改變電催化劑的化學性質和電子結構，進而提高電催化劑的催化性能。通過精準控制材料的合成條件，采用如等離子體處理、高溫燒結等相對復雜的技術手段，針對不同電催化劑和電化學反應的體系采取不同的策略，可以有效實現電催化劑性能的提升，降低電催化劑中電催化活性組分的成本和用量。

例如，專利申請報道了一種通過鎘摻雜調控鎳鐵基氫氧化物電催化析氫性能的方法，專利申請報道了一種通過淬火改性提升金屬氧化物電催化性能的方法。然而，這些基于化學調控的方法需要精準地控制反應條件，實現這些化學調控的技術手段相對比較復雜，而且這些手段針對不同電催化劑和電化學反應的通用性差，因而實施難度較大。

發明內容

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明提出一種電催化劑及其制備方法和應用。

本發明的第一方面，提出了一種電催化劑，包括：

導電非催化活性支撐件，

若干電催化活性單元，各所述電催化活性單元設于所述導電非催化活性支撐件上，且呈周期性陣列分布。

根據本發明實施例的電催化電極，至少具有以下有益效果：該電催化劑在導電非催化活性支撐件上周期性陣列布設若干電催化活性單元，其中，通過將電催化活性單元周期性陣列排布，使得對電催化劑施加外電壓時，可自發地增強其上電催化活性單元表面的電場強度，提高電催化性能；可減少電催化活性單元上電催化活性材料的用量的同時，實現電催化劑在電化學反應中的優異催化性能；無需控制苛刻的反應條件，對反應條件要求寬松，利于大規模生產應用；且其結構簡單，易于制備，通用性好，可根據電化學反應需要，采用相應的電催化活性材料加工制備對應的電催化劑；而該電催化劑在服役狀態下，電流密度可在1～5000m A/cm²之間可調，適合多種工業級電化學應用。