一种催化材料及其原位电化学活化方法和应用技术

本发明专利技术提供一种催化材料及其原位电化学活化方法和应用，可以大幅度提升目标材料的催化效率及稳定性，并有潜力实现催化制氢等反应在工业级电流密度或效率下服役。原位电化学活化方法包括以下步骤：对目标材料施加大小可控的电势，使目标材料表面发生原位电化学氧化还原反应，进而在目标材料表面实现原位重构，形成高比表面积，高催化活性的第二物相。本发明专利技术通过电化学活化方法使目标材料表面原位重构，在保证原始材料物理性质不变的情况下，在其表面形成具有高度孔隙的结构，这种结构除了能提高材料机械稳定性外，还能降低界面处电荷转移阻力，促进气泡成核/释放，提高传质效率，从而大幅提高材料在大电流密度下的催化性能，具有广泛的应用前景。广泛的应用前景。广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种催化材料及其原位电化学活化方法和应用


[0001]本专利技术涉及催化材料
，具体而言，涉及一种催化材料及其原位电化学活化方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，人们对催化剂的要求不仅仅限于实验室，而更希望开发出能够在工业上效率高、性能稳定的催化剂，这对催化剂本身的性质提出了更高的要求。
[0003]大电流密度下的催化效率及稳定性是当前限制催化剂大规模工业应用的主要因素之一。目前大多数催化剂的设计都是通过粘结剂将不同性能的材料粘接到一起，由此不仅带来较大的电荷转移电阻，而且由粘接剂产生的范德华力或共价键使催化剂在剧烈气泡的冲击下容易造成脱落，具有较短的寿命。大电流密度下气泡动力学是影响催化效率的另一重要因素。迅速产生的大量气泡如果不能即时从催化剂表面脱附，会阻塞活性位点，提高传质以及电子传输的阻力，产生额外的气泡过电势。因此，改善催化剂表面性能，加快气泡脱附，尽量降低气泡过电势在大电流密度下显得更加重要。
[0004]另外二维层状金属材料成分及结构具有较大灵活性，电子结构与表面性质便于调控，从而成为催化领域的研究热门。然而其层内原子全部成键，是热力学稳定的晶面，同时也是在合成中最容易暴露的面，这也就使二维材料的本征催化性能较差。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是改善催化材料的低本征催化效率。对其最容易暴露的、热力学稳定的惰性晶面进行重构，从而原位形成具有高催化活性的第二相，以降低电荷转移阻力，改善气泡脱附动力，从而提高其大电流密度下的催化效率及稳定性。
[0006]本专利技术的第一方面提供一种催化材料的原位电化学活化方法，包括以下步骤：对目标材料施加大小可控的电势，使目标材料表面发生原位的电化学氧化还原反应，进而在目标材料表面实现原位重构，形成具有多孔结构的第二相材料。
[0007]进一步地，在直流电解槽设备中，以目标材料作为工作电极，对目标材料施加负电势或正电势，使其处于被还原或被氧化状态。
[0008]进一步地，通过循环伏安法(CV)或者计时电流法(CA)对目标材料施加恒定或者变化的电势。
[0009]进一步地，所述目标材料经过原位电化学活化，在表面形成过渡族金属组分的相应单质或一元氧化物，所述目标材料为含有3d、4d或5d过渡金属元素的层状结构材料，其通式为A
x
B
y
O
z
，其中x，y，z的组合方式选自如下任意一种：1，1，3(
±
0.5)、1，2，6(
±
0.5)、2，1，4(
±
0.5)、3，2，7(
±
1)、4，3，10(
±
1)。
[0010]进一步地，所述通式为A
x
B
y
O
z
的材料，A为碱土金属元素或稀土元素中的一种，B为过渡金属中的一种；经过原位电化学活化，最终形成的产物为B/A
x
B
y
O
z
或BO/A
x
B
y
O
z
，其中B为
金属单质，BO为B的氧化物形式。
[0011]进一步地，A选自Ca、Sr、Ba、Ce、Pr、Nd、Ag中的一种，B选自Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、W、Ir、Pt、Au、Ce、Pr、Nd中的一种。
[0012]进一步地，所述目标材料选自以下任意一种：Pr2CoO4、Ba2PtO4、Nd2PdO4、Ag2IrO4、Sr2RuO4、SrRu2O6、Ag2RuO4、Ca2RhO4、Ce2CoO4、Ca2Pt
0.4
Pd
0.6
O4、Nd2Co
0.2
Pt
0.8
O4、Ba3Pt2O7、Sr3Ru2O7、Ca3Pd2O7、Ba3Ir2O7、Ca3Pt2O7、Ce3Co2O7、Ag3CoRuO7、Pr3CoRhO7、Ca3CoIrO7、Sr3PtPdO7。经过原位电化学活化，最终在这些材料表面形成过渡族金属组分对应的金属单质或者氧化物形式。
[0013]优选地，所述目标材料为Sr2RuO4(SRO)，呈现类钙钛矿结构，经过原位电化学活化后，在目标材料表面生成Ru金属层，产物为Ru/Sr2RuO4。
[0014]本专利技术的第二方面提供一种催化材料，经过上述的原位电化学活化方法处理得到。
[0015]本专利技术的第三方面提供上述催化材料的应用，将所述催化材料用于电/光解水产氢、燃料电池反应或碳一分子转化。
[0016]相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0017]本专利技术通过电化学活化方法使目标材料表面实现原位重构，其特点是通过对材料施加可控的电势，可以原位的对材料的表面晶体结构实现重构与优化，在保证原始材料物理性质不变的情况下，在其表面形成具有高度孔隙及比表面积的第二物相，这种结构能够降低界面处的电荷转移阻力，提高材料机械稳定性，还能够促进气泡成核/释放并提高传质效率，从而大幅提高材料在大电流密度下的催化性能。
[0018]原位重构有利于电化学传质及气泡的形核和释放，提高催化材料在大电流密度下的稳定性；原位重构形成的多孔结构与基底之间通过化学键合的方式连接，具有较低的电荷转移电阻和较强的机械稳定性。
[0019]本专利技术的电化学活化方法可以降低催化材料的传质电阻、电荷转移电阻、气泡过电势以及提高机械稳定性，得到可以在大电流密度下稳定服役的催化材料，尤其是在工业条件中的大电流密度下具有显著的催化性能，催化效果高效、稳定、适用范围广的优点，使其在催化领域具有广泛的应用前景。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例1中Sr2RuO4活化过程催化活性图；
[0021]图2是本专利技术实施例1中Sr2RuO4活化后正面和侧面的扫描图；
[0022]图3是本专利技术实施例1中Sr2RuO4活化后的透射电镜图片；
[0023]图4是本专利技术实施例1中Sr2RuO4活化前和活化后表面Ru 3d XPS能谱对比图；
[0024]图5是本专利技术实施例1中Sr2RuO4活化后在酸性和碱性条件下(Pt/C作为对比)的HER小电流密度线性扫描曲线图；
[0025]图6是本专利技术实施例1中Sr2RuO4活化后在酸性和碱性条件下(Pt/C作为对比)的塔菲尔斜率图；
[0026]图7是本专利技术实施例1中Sr2RuO4活化后在碱性条件下双电层电容图及由此确定的电化学比表面积(ECSA)图；
[0027]图8是本专利技术实施例1中Sr2RuO4活化后在酸性和碱性条件下的HER大电流密度线性扫描曲线图；
[0028]图9是本专利技术实施例1中Sr2RuO4活化后在酸性和碱性条件下的稳定性测试曲线图；
[0029]图10是本专利技术实施例2中SrRu2O6活化后表面形成岛状结构的TEM图；
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化材料的原位电化学活化方法，其特征在于，包括以下步骤：对目标材料施加大小可控的电势，使目标材料表面发生原位的电化学氧化还原反应，进而在目标材料表面实现原位重构，形成具有多孔结构的第二相材料。2.根据权利要求1所述的催化材料的原位电化学活化方法，其特征在于，在直流电解槽设备中，以目标材料作为工作电极，对目标材料施加负电势或正电势，使其处于被还原或被氧化状态。3.根据权利要求2所述的催化材料的原位电化学活化方法，其特征在于，通过循环伏安法或者计时电流法对目标材料施加恒定或者变化的电势。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的催化材料的原位电化学活化方法，其特征在于，所述目标材料经过原位电化学活化，在表面形成过渡族金属组分的相应单质或一元氧化物，所述目标材料为含有3d、4d或5d过渡金属元素的层状结构材料，其通式为A
x
B
y
O
z
，其中x，y，z的组合方式选自如下任意一种：1，1，3(
±
0.5)、1，2，6(
±
0.5)、2，1，4(
±
0.5)、3，2，7(
±
1)、4，3，10(
±
1)。5.根据权利要求4所述的催化材料的原位电化学活化方法，其特征在于，所述通式为A
x
B
y
O
z
的材料，A为碱土金属元素或稀土元素中的一种，B为过渡金属中的一种；经过原位电化学活化，最终形成的产物为B/A
x
B
y...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钰笛，李国伟，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：