[發明專利]一種銥單原子催化劑、其制備方法及應用

在審

• 申請號: 202111468747.6
• 申請日: 2021-12-03
• 公開（公告）號: CN114045524A
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 王董弟;馮晨;張志榮;曾杰;鮑駿
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/093;C25B1/01;C25B1/27;C25B3/26
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 吳曉靜

本發明提供一種銥單原子催化劑，包括羥基氧化鈷襯底和單分散的生長在所述羥基氧化鈷襯底表面氧原子的三重中空位點處的銥原子。本發明中的羥基氧化鈷表面分布有氧原子，利用線性伏安掃描法，在負電壓驅動條件下，電解液中的正離子基團IrClsupgt;3+/supgt;選擇性的生長在帶有負電的表面氧的三重中空位點處，與三個氧原子配位，形成穩定的Ir?O化學鍵。單原子Ir通過Ir?O化學鍵與襯底之間形成強電子相互作用，改變了活性中心的電子結構，使其具有更強的親電子性，有利于增強對析氧反應中氧中間體的吸附，表現出了優于商用析氧反應催化劑氧化銥的催化活性，且具有較好的穩定性。本發明還提供了一種銥單原子催化劑的制備方法及應用。

技術領域

本發明屬于電催化反應技術領域，尤其涉及一種銥單原子催化劑、其制備方法及應用。

背景技術

能源短缺和環境污染問題是21世紀以來人類社會發展的兩大難題，因此，尋找潔凈的可再生能源及開發高效的能量存儲和轉換技術迫在眉睫。電催化由于具有綠色環保，簡單方便及高效等優勢成為能源催化領域的重要組成部分，因此研究高效、低廉環保的電催化劑是推動能量存儲與轉換技術快速發展的重要途徑。電催化析氧反應作為眾多電催化陰極反應(如二氧化碳電還原、電化學合成氨、氧還原等)的陽極反應，能夠為整個電催化系統提供質子和電子。傳統的電催化析氧反應以銥、釕基催化劑為主，雖然有著較好的活性，但是貴金屬銥、釕儲量稀少、成本高昂，不可再生，難以進行大規模的產業應用。因此研制貴金屬負載量低、高活性的電催化析氧反應催化劑尤為重要。

單原子催化劑是將孤立的金屬原子負載在襯底材料上，從而實現100％的原子利用率。同時，單原子催化劑被認為具有均一的活性位點，這有利于實現超高的選擇性。然而，這種均一性只有當所有的單原子金屬中心與襯底具有相同的金屬-襯底相互作用才能實現。這種均一性不僅取決于單原子金屬中心的原子種類，還受周圍配位環境的影響。特別是在真實襯底表面，往往存在多種幾何結構或者缺陷，這就為單原子的生長提供了不同的錨定位點，在這些不同的位點上，同種金屬單原子的配位環境有所不同，對催化反應的活性和選擇性的影響也不同。要實現單原子催化劑真正的均一性，需要發展一種可以精確控制單原子生長位點的合成方法來精確調控單原子中心的配位環境和催化性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種銥單原子催化劑、其制備方法及應用，本發明中的銥單原子催化劑中的Ir單原子生長在CoOOH納米片表面氧原子的三重中空位點處，在催化析氧反應中具有優異的催化活性。

本發明提供一種銥單原子催化劑，包括羥基氧化鈷襯底和單分散的生長在所述羥基氧化鈷襯底表面氧原子的三重中空位點處的銥原子；

所述三重中空位點為羥基氧化鈷襯底表面任意三個呈三角形分布的氧原子的中心。

優選的，所述銥單原子催化劑中銥原子的質量分數為0.95～1.5％。

優選的，所述羥基氧化鈷襯底的尺寸為80～100nm。

本發明提供上文所述的銥單原子催化劑的制備方法，包括以下步驟：

將三電極體系置于含有銥鹽的電解質溶液中，進行線性伏安掃描合成，得到銥單原子催化劑；

所述三電極體系中的工作電極為負載有羥基氧化鈷納米片的玻碳電極；所述線性伏安掃描的電壓為-0.4～0.1V。

優選的，所述電解質溶液包括銥鹽、氫氧化鉀和水；所述銥鹽為四氯化銥。

優選的，所述銥鹽的質量、氫氧化鉀的質量和水的體積之比為(0.03～0.04)mg：(55～58)mg：(0.9～1.0)mL。

優選的，所述線性伏安掃描合成的掃描速度為3～8mV/s；所述線性伏安掃描合成的掃描次數為3～5次；每次所述線性伏安掃描合成的時間為63～167s。

優選的，在所述線性掃描合成中攪拌電解質溶液，所述攪拌的速率為1000～2000r/min。