一种多金属配对碱性催化剂的制备方法与应用技术

本发明专利技术属于化学电催化技术领域，特别涉及一种高效多金属配对碱性催化剂的制备方法与应用。将过渡金属前驱体与含碳化合物混合进行水热处理，并高温氧化反应形成金属氧化物，之后与另一种过渡金属前驱体在惰性气氛下进行高温聚合，得到多金属催化剂形成通过氧原子形成金属配对金属(M1

【技术实现步骤摘要】
一种多金属配对碱性催化剂的制备方法与应用


[0001]本专利技术属于化学电催化
，特别涉及一种高效多金属配对碱性催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]目前，全球的能源与环境问题日益严峻，开发环境友好且可持续的能源并对其进行清洁高效零排放的利用，是目前全球能源技术发展的重要方向。氢能作为一种绿色清洁的能源，从水中电解产氢是满足当前和未来对可再生电力储存日益增长的需求的最有希望的方法之一。工业氢主要是通过在碱性溶液中电解水来生产，包括阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)。析氢效率取决于在两个电极上使用的电催化剂的活性。阻碍高效体系发展的主要问题之一是在碱性溶液中缓慢的反应动力学，需要使用具有较低过电位的催化剂来驱动氢反应。但水电解池阴阳极两侧反应的过电位较高，同时阴极氢析出侧反应使用贵金属Pt价格昂贵且资源短缺，因此需要开发高性能且低铂的氢析出催化剂，减少氢析出反应过电位的同时，降低Pt的用量并提高贵金属的利用率。因此，设计和制备高性能碱性HER催化剂具有重要意义。
[0003]Wang等采用低温水相氯铂酸还原反应制备得到Pt
–
O
–
Ce金属配对电催化剂，通过不同浓度形成不同厚度的Pt原子层。该方法能够简单快捷制备得到金属电催化剂，但是该催化剂形貌较差，只应用在一氧化碳氧化中(Nature Communication 2019,10,3808.)。Pereira等采用浸湿法，将金属盐前驱体加入高温焙烧。该催化剂能通过Pt-O-Pt大幅度提高解一氧化碳氧化能力，但其容易在多部位形成纳米颗粒，不利于减少催化剂的用量(Nature Communication 2019,10,1358.)。Dinh等通过热分解的方法，直接用金属盐制作Cr-O-Ni作为中性海水氢析出反应，但其基底容易氧化，不稳定(Nature Energy 2018,4,107.)。此外，还未见报道相关多金属配对催化剂适用于碱性阴极氢析出反应和二氧化碳还原研究。
[0004]综上所述，已报道的文献中多金属配对催化剂形貌均一性较差，或本征活性较低，且基底容易氧化。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种高效多金属配对碱性催化剂的制备方法与应用，通过氧原子形成金属配对金属(M1-O-M2)材料，其技术路线简单并有效、具有普适性，可应用于电催化析氢及二氧化碳还原等各类型反应。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：
[0007]一种多金属配对碱性催化剂的制备方法，将过渡金属前驱体与含碳化合物混合进行水热处理，并高温氧化反应形成金属氧化物，之后与另一种过渡金属前驱体在惰性气氛下进行高温聚合，得到多金属催化剂形成通过氧原子形成金属配对金属(M1-O-M2)材料。
[0008]所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，过渡金属前驱体为能够形成高温下稳
定结构的化合物，采用金属化合物、金属盐之一种或两种以上，含碳化合物为碳单质、含碳无机物、含碳有机物之一种或两种以上。
[0009]所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，过渡金属前驱体为钼酸铵、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴中的一种或两种以上；碳单质为活性炭、纳米碳球和碳纳米管中的一种或两种以上，含碳有机物为三聚氰胺、尿素、蔗糖和葡萄糖中的一种或两种以上。
[0010]所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，过渡金属前驱体和含碳化合物之间的质量比在0.5～5之间。
[0011]所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，水热处理过程为：将过渡金属前驱体与含碳化合物通过溶剂混合，搅拌分散均匀，放入水热反应釜中进行水热处理，水热处理的温度控制在150℃～220℃之间，水热处理时间6～12小时。
[0012]所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，高温氧化反应温度控制在500℃～1000℃之间，升温速率为1～20℃/分钟，高温氧化反应时间为1～12小时。
[0013]所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，高温聚合过程为：对金属氧化物材料与另一种过渡金属前驱体进行高温热聚，高温热聚的温度为500℃～1000℃，升温速率为1～20℃/分钟，高温热聚时间为1～12小时；之后，依次进行水洗、过滤、干燥、研磨。
[0014]所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，惰性气氛为氮气和/或氩气，体积纯度99～99.99％。
[0015]所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，多金属配对催化剂材料为金属钌钼材料、金属钌钴材料、金属钌镍材料或金属钌铁材料。
[0016]所述的多金属配对碱性催化剂的应用，多金属配对碱性催化剂材料应用于电催化析氢反应或二氧化碳还原反应。
[0017]本专利技术的设计思想是：通过设计制备多金属位点协同催化剂，形成高效的多金属配对碱性催化剂，可以优化对水、二氧化碳等分子的吸附和解离，并提高对质子、一氧化碳的吸附。
[0018]经过实验证实，与现有技术相比，本专利技术具有如下特点和优点：
[0019](1)本专利技术采用通过金属化合物与碳基底的复合物进行包覆，可以抑制金属-非金属这种活性结构的破坏。而本专利技术中金属前驱体受高温氧化的作用形成保护层，阻止了高温过程金属原子的聚集，从而不能形成金属纳米颗粒，并由此提高多金属配对的形成。
[0020](2)目前已经报道的金属配对金属催化剂的制备方法往往只适用于某一种金属配对金属的制备，同时制备路线复杂、可重复性不理想，而本专利技术提供的制备方法制备路线简单且具有普适性，可以制备任意金属配对金属催化剂，例如：Ru-O-Mo金属配对材料、Ru-O-Co金属配对材料、Ru-O-Fe金属配对材料和Ru-O-Ni金属配对材料等。
[0021](3)利用本专利技术的方法制备的多金属配对催化剂，可作为电催化析氢、电催化二氧化碳还原等各类型反应的优良催化剂，能够表现出优异的催化活性和较优秀的催化效率。
[0022]综上，本专利技术选择含通过氧原子形成金属配对金属(M1-O-M2)材料，通过将含有金属化合物的前驱体与含碳化合物基底进行简单混合后水热，之后再进行高温氧化的处理方式，有效防止了催化活性结构的破坏，高效制备了金属配对金属材料，并表现出良好的性能。该种技术路线简单并有效、具有普适性，具有良好的应用前景。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例1中制得的Ru-O-Mo多金属配对材料XRD图谱。图中，横坐标2Theta代表衍射角(Degree)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。
[0024]图2是本专利技术实施例1制得的Ru-O-Mo多金属配对材料的STEM-HAADF的元素分布图。
[0025]图3是本专利技术实施例1制得的Ru-O-Mo多金属配对材料的同步辐射EXAFS，其中Ru箔和RuO2作为参照对比。图中，横坐标R代表键长，纵坐标|X(R)|代表傅里叶变化。
[0026]图4是本专利技术实施例1中制得的Ru-O-Mo多金属配对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多金属配对碱性催化剂的制备方法，其特征在于，将过渡金属前驱体与含碳化合物混合进行水热处理，并高温氧化反应形成金属氧化物，之后与另一种过渡金属前驱体在惰性气氛下进行高温聚合，得到多金属催化剂形成通过氧原子形成金属配对金属(M1-O-M2)材料。2.根据权利要求1所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，其特征在于，过渡金属前驱体为能够形成高温下稳定结构的化合物，采用金属化合物、金属盐之一种或两种以上，含碳化合物为碳单质、含碳无机物、含碳有机物之一种或两种以上。3.根据权利要求2所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，其特征在于，过渡金属前驱体为钼酸铵、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴中的一种或两种以上；碳单质为活性炭、纳米碳球和碳纳米管中的一种或两种以上，含碳有机物为三聚氰胺、尿素、蔗糖和葡萄糖中的一种或两种以上。4.根据权利要求1所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，其特征在于，过渡金属前驱体和含碳化合物之间的质量比在0.5～5之间。5.根据权利要求1所述的多金属配对碱性催化剂的制备方法，其特征在于，水热处理过程为：将过渡金属前驱体与含碳化合物通过溶剂混合，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘敏，李黄经纬，刘康，
申请(专利权)人：中南大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：