[發明專利]一種電催化制備過氧化氫的單原子催化劑、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202110875092.8
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113416966B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 趙超;王晶;黃紅鋒;吳宇波
• 申請（專利權）人: 聯科華技術有限公司
• 主分類號: C25B1/30
• 分類號: C25B1/30;C25B1/50;C25B11/091
• 代理公司: 南寧勝榮專利代理事務所(特殊普通合伙) 45126
• 代理人: 關文龍

本發明公開了一種電催化制備過氧化氫的單原子催化劑、制備方法及其應用，屬于電催化技術領域。所述的單原子催化劑由載體和過渡金屬組成，所述的載體為摻氮多孔碳，所述的過渡金屬為Cu、Co、Fe、Mn中的一種或者多種，所述的過渡金屬以單原子的形式固定在載體的表面。本發明的單原子催化劑具有高活性、高穩定性，在酸性ORR中有最佳活性和選擇性，電流和選擇性皆可穩定在10h以上，能夠積累3500ppm以上的Hsubgt;2/subgt;Osubgt;2/subgt;在很寬的電壓范圍內選擇性超過91％，對應到550mmol?gsupgt;?1/supgt;hsupgt;?1/supgt;的Hsubgt;2/subgt;Osubgt;2/subgt;生成速率。利用本發明的單原子催化劑制成的電催化裝置可廣泛應用在廢水處理中，具有顯著的經濟效益和社會效益。

技術領域

本發明屬于電催化技術領域，具體涉及一種電催化制備過氧化氫的單原子催化劑、制備方法及其應用。

背景技術

過氧化氫是一種重要的無機化工產品，被廣泛應用于紡織、造紙、軍工、醫藥、食品加工和環境保護等領域。過氧化氫的分解產物是氧氣和水，對環境無二次污染，屬于綠色化學品，目前全球H₂O₂的年利用率約為400萬噸，在未來有很大的希望繼續增長。

現有生產過氧化氫的主要方法是蒽醌法，蒽醌法雖然有產品成本低和耗能低的優點，但是在大規模生產中有較大的安全隱患，因為其鎳系催化劑和使用的氫氣都屬于易燃易爆物；而使用的鈀系催化劑，容易結塊和粉碎，在生產過程中必須嚴格的控制，否則很大程度上影響鈀系催化劑的功效。所以這些非分布式生產，高能量消耗，大量有機副產品的浪費和需要將得到的H₂O₂輸送到使用點等缺點需要從制備方法上改善。

針對上述缺點，一個有希望的替代途徑是通過O₂的二電子還原(2e-ORR)現場制備H₂O₂(方程式(1))。該過程可與析氧反應(OER)(方程式(2))耦合，在電解裝置中利用空氣、水和可再生能源生產H₂O₂(方程式(3))。

O₂+2e^-+2H+→H₂O₂E_red＝0.695V?versus?RHE?????(1)

2H₂O^-+O₂+4H⁺+4e^-E_red＝1.229V?versus?RHE????(2)

電催化氧化還原反應(ORR)生成H₂O₂的方法是以空氣中的氧氣和水作為唯一的原料，在常溫常壓的溫和條件下，O₂在陰極被選擇性地電化學還原為H₂O₂。只要有電有水有空氣的地方，可以直接生產使用，不會產生有害的副產品或廢氣流；通過一個雙電子(2e^-)途徑提供了一個經濟、安全、和環保的H₂O₂路線。過氧化氫生產安全隱患低，生產流程中綠色環保，生產工藝簡單，還可調節過氧化氫的濃度等優點。但是，實際過程是具有挑戰性的，由于許多電極材料更傾向于競爭四電子(4e^-)ORR而不是(2e^-)ORR，從而降低了H₂O₂的產率。因此，發現對H₂O₂具有高選擇性的ORR電催化劑具有重要意義。

目前廣泛使用的負載型過渡金屬的催化劑尺寸通常在納米級，由于吸附和催化過程主要發生在催化劑的表面，而納米級顆粒的表面原子僅占總原子數很少的一部分，導致催化劑利用率較低。