一种金属-氢氧簇改性的贵金属催化剂及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种金属

【技术实现步骤摘要】
一种金属
‑
氢氧簇改性的贵金属催化剂及其应用


[0001]本专利技术属于电催化剂制备
，具体涉及一种金属
‑
氢氧簇改性的贵金属催化剂及其应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]电解水器件可以通过电催化水分解反应将可再生电能储存在氢气中，然后将产生的氢气在燃料电池器件中通过氢氧化的方式将其重新转化为电能。阴离子交换膜电解水器件(AEMWEs)和阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)是驱动上述氢循环的重要技术，这是由于与其对应的酸性工作器件相比，它们的工作环境腐蚀性较小，因此可以使用低成本的催化剂。然而，碱性介质中的析氢反应和氢氧化反应的反应动力学远低于酸性环境，严重阻碍了高性能氢能转化器件的发展。因此设计出高性能的碱性氢电催化剂以及推动对碱性氢电催化机制的理解具有重要意义。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种金属
‑
氢氧簇改性的贵金属催化剂及其应用。
[0005]电催化剂的表面或电子结构优化将很大程度上平衡中间体的吸附，从而提高其电催化活性和抗中毒性能。在这方面，掺杂或合金化以及异质结工程等策略已被广泛用于提高电催化剂的活性和耐久性。结合单原子合金和异质结催化剂的结构特点，本专利技术设计了一种表面锚定原子分散的金属
‑
氢氧簇(M1(OH)x)的贵金属催化剂，用于加速氢电催化的反应动力学。以铬
‑
氢氧簇为例，金属表面孤立的铬
‑
氢氧簇可以最大化界面活性位点的数目，创造丰富的活性氧物种，优化氢吸附和促进水的解离。因此，该催化剂的电催化氢氧化和析氢活性远高于未修饰的钌纳米粒子催化剂。此外，铬
‑
氢氧簇还有助于在催化过程中去除一氧化碳分子和抑制金属物种的聚集，具有优异的抗毒化性能和催化稳定性。本专利技术所提出的策略优于常用的异质结构和合金催化剂设计策略，与传统的以表面金属为活性位点的机制相比，本专利技术构建的催化体系呈现出显著不同的催化机制。
[0006]具体地，本专利技术的技术方案如下所述：
[0007]在本专利技术的第一方面，提供一种金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂，所述金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂为析氢/氢氧化反应电催化剂，以贵金属纳米粒子为基底，负载原子级分散的金属
‑
氢氧簇。
[0008]在本专利技术的第二方面，提供一种金属
‑
氢氧簇改性的钌电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)、将易还原金属前驱体与难还原过渡金属盐前驱体在水中混合，得到混合溶
液；
[0010](2)、将一定量硼氢化钠水溶液滴入上述混合液，反应完后得到金属凝胶；
[0011](3)、将金属凝胶经液氮冷冻、冷冻干燥后得到目标催化剂。
[0012]在本专利技术的第三方面，提供所述金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂在燃料电池和水分解领域中的应用。
[0013]本专利技术中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：
[0014](1)、金属表面锚定的金属
‑
氢氧簇不仅可以最大化界面活性位点的数目，更重要的是，原子级的界面位点可以活化金属
‑
氢氧簇中的氧物种，使其具有高催化活性。
[0015](2)、金属
‑
氢氧簇中的氧物种具有更高的负电荷和亲质子性，可以优化贵金属表面氢的吸附，也可以与水分子中的氢作用从而促进水的解离，有利于增强氢氧化和析氢的反应动力学。
[0016](3)、金属
‑
氢氧簇一方面具有在催化过程中抑制金属物种聚集的作用，另一方面，其活性氧物种也可以促进一氧化碳的氧化，从而抑制贵金属被一氧化碳毒化。因此，本专利技术中的金属
‑
氢氧簇的选择有助于增强催化剂整体的催化稳定性和抗毒化性能。
[0017](4)、本专利技术提供的原子级分散的金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂具有高稳定性、高活性、以及低成本优势，而且制备方法简单易控。
附图说明
[0018]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0019]图1为实施例1中的XRD图谱；
[0020]图2为实施例1中的EELS面分布图；
[0021]图3为实施例1中的EXAFS图谱；
[0022]图4为实施例1中的氢氧化LSV曲线；
[0023]图5为实施例1中的抗毒化LSV曲线；
[0024]图6为实施例1中的析氢LSV曲线；
[0025]图7为实施例2中的氢氧化LSV曲线。
具体实施方式
[0026]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0027]一种金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂，所述金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂为氢氧化和析氢反应电催化剂，贵金属纳米粒子为基底，表面锚定原子级分散的金属
‑
氢氧簇，构建丰富的原子级界面活性位点。所述贵金属纳米粒子为铂、钌、铱、铑、金、银、钯中的一种或多种；所述金属
‑
氢氧簇为选自基于铬、锰、锌、铌、锆的金属
‑
氢氧簇及其两种或三种混合的金属
‑
氢氧簇，优选的，为铬
‑
氢氧簇；
[0028]进一步地，所述金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂中，铬金属的质量百分数为0.6
‑
2.2wt％，优选的，为1.1wt％。
[0029]金属(氢)氧化物纳米颗粒或团簇常用于碱性水裂解和氢氧化反应中，主要是由于其优异的吸附水和氢氧根的能力。但是，这些纳米级的金属(氢)氧化物构建的界面活性位点数量有限，且不利于调控金属基底对氢的吸附。通过在金属基底表面构建原子级分散的金属
‑
氢氧簇，不仅有利于形成大量原子级界面位点，而且还可以激活金属
‑
氢氧簇的活性。尤其是，断裂的金属
‑
金属键可以在孤立的金属原子上创建丰富的活性氢氧簇，有助于实现对氢参与反应中的氢中间体的调控，从而促进氢氧化和氢析出反应动力学。
[0030]本专利技术通过在贵金属表面构建原子级分散的金属
‑
氢氧簇，一方面能有效克服催化反应过程中存在的金属物种团聚问题，另一方面，这种原子级分散的金属
‑
氢氧簇也可以促进一氧化碳在金属表面的氧化，从而提升了催化剂的抗毒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂，其特征在于，贵金属纳米粒子为基底，表面锚定原子级分散的金属
‑
氢氧簇；所述贵金属纳米粒子为铂、钌、铱、铑、金、银、钯中的一种或多种；所述金属
‑
氢氧簇为选自基于铬、锰、锌、铌、锆的金属
‑
氢氧簇及其两种或三种混合的金属
‑
氢氧簇，优选的，为铬
‑
氢氧簇。2.根据权利要求1所述的金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂，其特征在于，所述金属
‑
氢氧簇改性的贵金属电催化剂中，铬金属的质量百分数为0.6
‑
2.2wt％，优选的，为1.1wt％。3.一种如权利要求1或2所述金属
‑
氢氧簇改性的贵电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、将易还原金属前驱体与难还原过渡金属盐前驱体在水中混合，得到混合溶液；(2)、将硼氢化钠溶液滴入上述混合溶液至反应完成，得到金属凝胶；(3)、将所述金属凝胶在液氮中冷冻，随后进行冷冻干燥。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，易还原金属包括铂、钌、铱、铑、金、银、钯中的一种或多种，优选的，所述易还原金属前驱体包括水合氯...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙文平，张丙兴，潘洪革，高明霞，刘永峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：