[發明專利]一種富含缺陷的過渡金屬納米結構催化劑及其制備方法

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• 申請號: 202210907545.5
• 申請日: 2022-07-29
• 公開（公告）號: CN115198301A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 杜高輝;韓迪;蘇慶梅;許并社
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;C25B11/054;C25B1/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京中巡通大知識產權代理有限公司 11703
• 代理人: 李曉曉

本發明屬于納米材料制備領域，公開了一種富含缺陷過渡金屬納米結構催化劑的制備方法，包括以下步驟：稱取過渡金屬化合物和粘結劑，加入N?甲基吡咯烷酮中混合，形成黑色溶液；將黑色溶液滴加到集流體上，真空干燥，得到干燥好的極片；將極片作為電極，堿性金屬片作為對電極，以含有Li離子的溶液作為電解液，組裝在雙電極電解槽中；將雙電極連接到電阻兩端，通過自身化學能驅動電子、離子遷移進行還原反應，直至反應結束；將反應后的電極清洗，真空干燥后，得到富含缺陷的過渡金屬納米結構催化劑。所制得的過渡金屬納米結構是由2～8nm的金屬納米晶構成，缺陷原子占比30％～50％，呈現高的電催化活性以及良好的穩定性。

技術領域

本發明屬于納米材料制備領域，特別涉及一種富含缺陷的過渡金屬納米結構催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著化石能源的不斷消耗以及環境污染的日益加重，尋找高效的清潔能源是極為必要的。氫氣以其優異的能量密度、高能量轉換效率、可再生性，以及零污染特性成為既可作為清潔能源又可作為能源儲存載體的理想選擇。目前，鉑(Pt)基材料是電解水析氫的理想高效的催化劑。然而，貴金屬材料的儲量少和高成本限制了其進一步地廣泛應用。

過渡金屬基催化劑作為十分有潛力的電解水催化劑材料，不僅成本低、環境友好、資源豐富，種類繁多、電子層結構豐富以及價態多變等優點等也引起人們廣泛的關注。在眾多的過渡金屬基催化劑中，單金屬或者過渡金屬合金有著無可比擬的導電性以及出色的本征活性。然而，金屬元素不可避免的氧化，高溫合成很難得到均一尺寸的納米晶，使得過渡金屬納米結構的催化活性下降。

為了解決這一難題，合成具有金屬缺陷的過渡金屬納米晶可以增加活性位點，金屬缺陷能夠改善納米結構的電子結構，加速電子轉移，提高催化劑催化活性的同時增強結構的穩定性。然而水熱生長法、刻蝕法、脫合金法、離子插層法等方法很難制備出含有很多金屬缺陷的催化劑，而且合成過程需要較高的成本并對環境產生一定污染。

發明內容

本發明的目的在于提供一種富含缺陷的過渡金屬納米結構催化劑及其制備方法，解決了目前制備方法無法合成含有很多金屬缺陷的催化劑及很難得到均一尺寸的納米晶的問題。

為了實現上述目的，本發明是通過以下技術方案予以實現：

一種富含缺陷的過渡金屬納米結構催化劑的制備方法，包括以下步驟：

1)稱取過渡金屬化合物和粘結劑，加入N-甲基吡咯烷酮中混合攪拌，形成黑色溶液；其中，以質量百分比計，過渡金屬化合物為70％～98％，粘結劑為2％～30％；

2)將黑色溶液滴加到集流體上，在溫度為60～120℃下真空干燥6～24h，得到干燥好的極片；

3)將干燥好的極片作為電極，堿性金屬片作為對電極，以含有Li離子的溶液作為電解液，組裝在雙電極電解槽中；

4)將雙電極連接到500～3000Ω的電阻兩端，通過自身化學能驅動電子、離子遷移進行還原反應，直至反應結束；

5)將反應后的電極清洗，真空干燥后，得到富含缺陷的過渡金屬納米結構催化劑。

進一步，步驟1)中，過渡金屬化合物為過渡金屬氧化物、過渡金屬硫化物、過渡金屬氫氧化物或過渡金屬鹵化物。

進一步，過渡金屬為Fe、Co、Ni、Cu、Mo或Zn元素。

進一步，步驟1)中，粘結劑為聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基殼聚糖、聚丙烯或聚乙烯醇。

進一步，步驟1)中，攪拌5～48h。

進一步，步驟2)中，所述集流體為泡沫金屬、金屬片或碳布。

進一步，步驟3)中，堿性金屬片為鋰片、鈉片或鉀片。