一种纳米催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米催化剂，具有式I结构分子式：LanSrNinO3n+1式I；式I中，n≥1。本发明专利技术通过建立维数与电催化水氧化活性之间的相关性，随着n维数的增加，LanSrNinO3n+1的水氧化性能增强。电子结构研究表明，随着维数的增加，Ni 3d的带宽相应增加，电子相关性减弱，这导致了绝缘体向金属的过渡和更强的Ni‑O杂化，这都有利于促进水的氧化活性。本发明专利技术在尺寸和电催化之间架起了一座桥梁，为设计性能优良的电解水产氧(OER)催化剂提供了指导。本发明专利技术还提供了一种纳米催化剂的制备方法和应用。

A nano-catalyst and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种纳米催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及催化剂
，尤其涉及一种纳米催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
电化学分解水制氢是一种重要的缓解能源危机的化工手段，它由阳极的产氧反应和阴极的析氢反应组成，是一种可持续的、环保的可再生能源补充方法，已被广泛研究。析氢反应是一个二电子转移过程，而产氧反应是四质子耦合电荷转移的动力学过程，因此产氧是电解水反应的动力学决定过程，是目前限制电解水工艺工业化发展的关键因素。近年来，钙钛矿氧化物作为一种经济有效的电催化剂而受到了广泛的关注。钙钛矿氧化物的优异性能与其电子结构密切相关，假设钙钛矿表面稳定，并提供过渡金属B作为活性位点，其电解水产氧(OER)活性与eg轨道的占用率有很强的相关性。利用这一机制，通过调控B位点的eg轨道的填充接近于1，可以获得最佳的OER活性。此外，B-O键的共价也被证明在影响OER活性方面发挥了作用，较高的共价被认为有利于氧氧化还原反应，从而促进水氧化。目前，对于维数是如何影响钙钛矿氧化物的电子结构和过氧化物活性仍然是难以捉摸而且存在争议的。为此，对钙钛矿氧化物的维数与OER活性之间的关系进行系统的探索，并深入了解两者之间的关系，是非常有意义和迫切需要的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种纳米催化剂，本专利技术提供的纳米催化剂通过调整催化剂的维度来控制催化剂的性能。本专利技术提供了一种纳米催化剂，具有式I或式II结构的分子式：LanSrNinO3n+1式I；LaNiO3式II；式I中，n≥1。在本专利技术中，所述n优选为≥1的正整数，更优选为1、2、3、。。。。∞的正整数，当n为∞时，式I结构分子式即转化为式II结构的分子式。在本专利技术中，所述式I结构分子式中n优选为正整数，更优选为1～5的正整数。在本专利技术中，所述纳米催化剂中La原子、Sr原子和Ni原子的原子比为n：1：n，经过专利技术人研究发现，采用这种原子比进行投料获得的式I结构的纳米催化剂在催化反应前后原子比不发生变化，催化性能稳定。在本专利技术中，所述LanSrNinO3n+1分子式中的n在代表原子比的同时也代表维数，具有LanSrNinO3n+1分子式的纳米催化剂的晶体结构为由n层连续的LaNiO3钙钛矿层组成，并沿C轴方向堆积在一层岩盐LaO层上。本专利技术中的维数即指的是LaNiO3钙钛矿层的堆积数。在本专利技术中，所述纳米催化剂的粒度优选为50～100nm，更优选为60～80nm。本专利技术提供了一种LanSrNinO3n+1纳米催化剂，研究了维数与电催化水氧化活性之间的相关性。研究发现，随着n的维数增加，导致了绝缘体向金属的过渡和更强的Ni-O杂化，这些都有利于促进水的氧化活性。本专利技术在尺寸和电催化之间架起了一座桥梁，为设计性能优良的电解水产氧(OER)催化剂提供了指导。本专利技术通过合成不同维度的含La和Ni的催化剂来调控电解水产氧性能。本专利技术提供了一种上述纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：将六水硝酸镍、六水硝酸镧、硝酸锶、一水柠檬酸和水混合后干燥，得到前驱体凝胶；将所述前驱体凝胶进行第一反应后降温，再进行第二反应，得到纳米催化剂。在本专利技术中，所述水优选为去离子水。在本专利技术中，所述六水硝酸镍、六水硝酸镧和硝酸锶的用量比例使La原子、Sr原子和Ni原子的原子比为n：1：n即可，所述n的取值与上述技术方案所述n的取值一致，在此不再赘述。在本专利技术中，所述一水柠檬酸的摩尔数优选为La原子、Sr原子和Ni原子总的摩尔数的3倍，即所述一水柠檬酸和六水硝酸镍的摩尔比优选为(6n+3)：n。在本专利技术中，所述水的用量体积(单位为mL)优选为一水柠檬酸摩尔量的10倍，即所述水的体积和一水柠檬酸摩尔数的比值优选为10mL：1mol。在本专利技术中，所述干燥的方法优选为：先进行蒸干再进行烘干。在本专利技术中，所述蒸干的温度优选为70～90℃，更优选为75～85℃，最优选为80℃；所述烘干的温度优选为110～130℃，更优选为115～125℃，最优选为120℃。在本专利技术中，所述第一反应的温度优选为350～450℃，更优选为380～420℃，最优选为400℃；所述第一反应过程中的升温速度优选为4～6℃/min，更优选为5℃/min；所述第一反应的时间优选为3～5小时，更优选为4小时。在本专利技术中，所述降温的温度优选为室温，更优选为20～30℃，最优选为25℃。在本专利技术中，所述第二反应的温度优选为750～850℃，更优选为780～820℃，最优选为800℃；所述第二反应过程中的升温速度优选为4～6℃/min，更优选为5℃/min；所述第二反应的时间优选为20～30小时，更优选为22～28小时，最优选为24～26小时。在本专利技术中，所述第二反应完成后优选将得到的反应进行洗涤，得到纳米催化剂。在本专利技术中，所述洗涤的试剂优选为水，更优选为去离子水。本专利技术还提供了上述纳米催化剂或制备方法制备得到的纳米催化剂在电催化产氧反应中的应用和电解水产氧反应中的应用。本专利技术通过一步简单的溶胶凝胶法合成LanSrNinO3n+1(n＝1,2,3，和∞)纳米催化剂，在A位La离子部分被Sr离子占据的地方，研究尺寸对OER活性的影响。对LanSrNinO3n+1纳米催化剂的维数与OER活性之间的关系进行系统的探索，并深入了解两者之间的关系，是非常有意义和迫切需要的。专利技术人以LanSrNinO3n+1(n＝1,2,3，和∞)为目标，在A位La离子部分被Sr离子占据的地方，研究尺寸对OER活性的影响。本专利技术提供的LanSrNinO3n+1(n＝1,2,3，∞)纳米催化剂可以在不受维数影响的情况下保持B位点的价态稳定性。通过改变n值来控制LanSrNinO3n+1的维数，有效地调节纳米催化剂的电解水产氧性能。研究结果表明，从n＝1到n＝∞，LanSrNinO3n+1的OER活性明显增强。而且随温度变化的电阻率曲线表明，LanSrNinO3n+1的电导率随n的增加而增加，并伴随着绝缘体向金属的过渡。此外，随着n的增加，x射线吸收光谱(XAS)显示Ni3d-O2p杂化强度增强。因此，可以将LanSrNinO3n+1的OER活性增强归因于更高的电导率和更强的Ni-O共价，而这是由高维数引起的。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例制备的LanSrNinO3n+1纳米催化剂的高角度环形暗场扫描透射电镜图像；图2为本专利技术实施例制备的LanSrNinO3n+1纳米催化剂的X射线电子衍射图；图3为本专利技术实施例制备的LanSrNinO3n+1纳米催化剂透射电子显微镜图像；图4为本专利技术实施例制备的LanSrNinO3n+1纳米催化剂的线性扫描伏安曲线；图5为本专利技术实施例制备的LanSrNinO3n+1纳米催化剂的塔费尔曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米催化剂，具有式I或式II结构分子式：LanSrNinO3n+1  式I；LaNiO3  式II；式I中，n≥1。

【技术特征摘要】
1.一种纳米催化剂，具有式I或式II结构分子式：LanSrNinO3n+1式I；LaNiO3式II；式I中，n≥1。2.根据权利要求1所述的纳米催化剂，其特征在于，所述n为1～5。3.一种纳米催化剂的制备方法，包括：将六水硝酸镍、六水硝酸镧、硝酸锶、一水柠檬酸和水混合后进行干燥，得到前驱体凝胶；将所述前驱体凝胶进行第一反应后降温，然后再次进行第二反应，得到纳米催化剂。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述干燥的方法为先进行蒸干再进行烘干。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述蒸干的温度为70～90℃；所述烘干的温度为110～130℃。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：商春彦，郑婷婷，曹聪，周仕明，曾杰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34