[發(fā)明專利]一種安培級(jí)大電流密度電催化析氫催化劑及制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211262731.4
• 申請(qǐng)日: 2022-10-14
• 公開（公告）號(hào): CN115786930A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓云虎;陳冠震;陳雯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C25B1/04
• 分類號(hào): C25B1/04;C25B11/091
• 代理公司: 西安凱多思知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種安培級(jí)大電流密度電催化析氫催化劑及制備方法，首先通過離子交換方法將稀土離子與二氧化硅球中豐富的銨根離子交換，引入到二氧化硅微球中，繼而在空氣中低溫?zé)崽幚慝@得氧化稀土/二氧化硅復(fù)合的前驅(qū)體。經(jīng)過熱解碳化后去除二氧化硅模板，得到負(fù)載在空心碳基載體上的Pt、Re金屬單原子與PtRe合金團(tuán)簇的催化劑。所制備的催化劑以空心碳基為載體，金屬Pt、Re單原子和PtRe合金團(tuán)簇分布于碳基載體表面，其中PtRe合金團(tuán)簇表現(xiàn)為富Pt表面的合金結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中采用的離子交換保證了前驅(qū)體中非貴金屬的多樣性，形成的富Pt表面PtRe合金團(tuán)簇在保持高Pt暴露和利用率的同時(shí)，提高了合金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于合金團(tuán)簇和金屬單原子催化劑制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種安培級(jí)大電流密度電催化析氫催化劑及制備方法，具體涉及一種離子交換與封閉空間限域的方法制備鉑-稀土雙金屬單原子與合金團(tuán)簇負(fù)載于空心碳基載體的復(fù)合材料，表面的合金團(tuán)簇表現(xiàn)為富鉑表面。

背景技術(shù)

氫氣作為最為清潔高效的能源，其規(guī)模化制備有利于緩解能源危機(jī)與環(huán)境問題，電解水制氫作為最有前途的制備技術(shù)之一受到廣泛關(guān)注，其中，鉑被認(rèn)為是最有效的電解水制氫催化劑。然而，貴金屬的稀缺性、高成本、穩(wěn)定性差是制約該技術(shù)商業(yè)化廣泛部署的關(guān)鍵。另外，稀土元素因其獨(dú)特的電子、光學(xué)和磁性特性而被廣泛用于冶金、電子和催化領(lǐng)域。與單一金屬催化劑相比，合金催化劑中兩個(gè)不同表面原子間的電荷轉(zhuǎn)移會(huì)改變Pt的電子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)中間體的吸附能。同時(shí)，降低催化劑尺寸至團(tuán)簇甚至單原子水平，有利于顯著提高Pt的催化活性，有利于在保持甚至減少貴金屬的使用量的同時(shí)，提升原子利用率，從而降低成本。

中空結(jié)構(gòu)載體有利于增加活性物種的負(fù)載位點(diǎn)，從而增大與反應(yīng)物的接觸面積，增加有效活性位的數(shù)量。同時(shí)，氮元素的引入也有利于活性中心的穩(wěn)定。

另外，小尺寸合金催化劑的合成過程中通常不可避免地使用了難以去除的表面活性劑，導(dǎo)致活性位點(diǎn)的遮埋，嚴(yán)重降低鉑的利用率。同時(shí)納米顆粒高溫易團(tuán)聚的問題也亟待解決。最重要的是，在大電流密度下穩(wěn)定催化制備氫氣對(duì)于鉑基催化劑仍是巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種安培級(jí)大電流密度電催化析氫催化劑及制備方法。針對(duì)目前鉑基催化劑難以在大電流密度下穩(wěn)定工作，以及貴金屬高表面自由能使金屬易發(fā)生團(tuán)聚而不可避免地在合成過程中依賴表面活性劑控制合金納米粒子尺寸的現(xiàn)有技術(shù)狀況，提供一種離子交換結(jié)合封閉空間煅燒策略制備雙金屬單原子與合金團(tuán)簇分布于空心碳基載體上，其中合金團(tuán)簇表現(xiàn)為富Pt表面的合金結(jié)構(gòu)。制備的催化劑能夠在安培級(jí)大電流密度下穩(wěn)定工作的工業(yè)化電解水催化劑，該方法使所制備的催化劑具有低負(fù)載、高活性和耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)該方法可涵蓋制備多種碳基載體負(fù)載Pt基雙金屬單原子與合金團(tuán)簇的催化劑。

技術(shù)方案

一種安培級(jí)大電流密度電催化析氫催化劑，其特征在于催化劑以空心碳基為載體，雙金屬單原子與合金團(tuán)簇負(fù)載于空心碳基載體上，表面的合金團(tuán)簇表現(xiàn)為富鉑表面所述的安培級(jí)大電流密度為不低于1.0A/cm²。

所述雙金屬單原子的種類包括Pt與La、Ce、Sm、Eu、Gd、Pr或Er的組合。

所述表面合金團(tuán)簇的種類分別對(duì)應(yīng)于PtLa、PtCe、PtSm、PtEu、PtGd、PtPr或PtEr。

一種制備所述安培級(jí)大電流密度電催化析氫催化劑的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、前驅(qū)體的制備：將含有稀土金屬離子的二氧化硅微球放入馬弗爐中以10℃/min升溫至200-400℃后恒溫0.5-5h，得到二氧化硅/金屬氧化物前驅(qū)體；