一种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催化剂及其制备方法和应用，该催化剂包括：基底材料和沉积在基底材料上的金属元素，所述基底材料具有包括锥尖结构、针尖结构、或长径比为5～100的凸起结构中的至少一种。本发明专利技术中通过选用具有锥尖结构、针尖结构、和/或较大长径比凸起结构的导电材料作为电沉积基底，该种基底材料具有尖端电场集中效应，可以实现微量金属元素的精准沉积，降低金属元素的使用量，同时由于尖端催化活性强，能让金属元素发挥出最佳的催化性能，从而显著降低生产成本。且本发明专利技术中催化剂的制备方法工艺简单，易操作，制备时间短，可连续批量制备，适用范围较广，在催化领域具有良好的应用。在催化领域具有良好的应用。在催化领域具有良好的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于催化剂材料制备
，具体地，本专利技术涉及一种催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在催化领域，通常贵金属具有良好的催化活性，比如Pt用于析氢反应、氧还原反应、Ir及Ru的氧化物用于析氧反应。但贵金属不仅价格昂贵，而且储量非常稀少，极大的限制了相关催化领域的发展。
[0003]近年来，研究者采用了各种手段来减少贵金属的用量。比如对材料进行单原子层的沉积(atomic layer deposition，ALD)，又称原子层沉积或原子层外延(atomic layer epitaxy)，该方法虽然能够在基体材料表面实现原子层级别的沉积，从而减少了贵金属的用量，但其本质上仍是对基底的全面式沉积，仍然需要耗费较多的贵金属；且其制备条件十分苛刻，且成本高、产能低，不利于催化剂的批量生产。近年来又发展出单原子催化剂，将催化剂用量降低到一个新的水平，比如浸渍煅烧法、缺陷捕获法等。其中，浸渍煅烧法对反应装置的要求不高，但是对反应条件要求较高，制备过程较复杂，且由于其反应温度较高，容易使得单原子催化剂发生团聚现象，限制了单原子催化剂的批量生产。缺陷捕获法能够充分发挥石墨烯二维限域效应，实现金属原子的大规模分散，但是其对于充当载体的基底有较高的要求，而且在制备过程中需要精确的操作，可控性差。总而言之，现有单原子催化剂的制备方法较为复杂，贵金属消耗量多，成本较高，且难以实现高负载、宏量制备，而且制备出来的多是粉末催化剂，无法应用在电极催化剂一体化的电极材料上。<br/>
技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术实施例提出一种催化剂及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术实施例一方面提出一种催化剂，包括：基底材料和沉积在基底材料上的金属元素，所述基底材料具有包括锥尖结构、针尖结构、或长径比为5～100的凸起结构中的至少一种。
[0006]本专利技术实施例中选用具有锥尖结构、针尖结构、和/或较大长径比凸起结构的材料作为沉积基底，该种基底材料具有尖端电场集中效应，能够优先吸引带相反电荷的离子在锥尖/针尖/凸起结构顶端聚集，从而可在一体化电极材料活性位点(锥尖/针尖/凸起结构顶端)实现微量金属元素的精准沉积，将金属元素的使用量降到非常低的水平，降低成本，同时由于尖端催化活性强，能让金属元素发挥出最佳的催化性能。
[0007]在一些实施例中，所述基底材料是通过在导电衬底上原位生长纳米锥、纳米棒或纳米线阵列制得。
[0008]在一些实施例中，所述纳米锥、所述纳米棒与所述纳米线阵列的材质为导电材料。
[0009]在一些实施例中，所述金属元素为贵金属元素和/或非贵金属元素。
[0010]在一些实施例中，所述金属元素在所述基底材料上的沉积量为0.00001～0.001mg/cm2。
[0011]在一些实施例中，所述金属元素沉积在所述基底材料的锥尖、针尖和/或凸起结构的顶部。
[0012]本专利技术实施例另一方面还提出上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0013](1)制备基底材料；
[0014](2)在所述基底材料上电沉积金属元素，得到所述催化剂。
[0015]本专利技术实施例的制备方法可以实现微量金属元素的精准沉积，从而减少金属元素的使用量，降低生产成本，同时可以使沉积的微量金属元素发挥出最佳的催化活性，且该方法工艺简单，易操作，制备时间短，可连续批量制备，适用于工业化生产。
[0016]在一些实施例中，所述电沉积的方式为脉冲电沉积，脉冲波的波形采用矩形波，脉冲频率为1～10kHz。
[0017]在一些实施例中，所述电沉积的电流密度为0.01～1mA/cm2、沉积时间为0.1～10ms。
[0018]本专利技术实施例又一方面还提出上述催化剂包括但不限于在析氢反应、析氧反应、二氧化碳还原反应、氮还原反应、氧还原反应或氢氧化反应中的应用。
[0019]本专利技术所具有的优点和有益效果为：
[0020]本专利技术实施例中通过选用具有锥尖结构、针尖结构、和/或较大长径比凸起结构的材料作为基底材料，并利用电沉积技术在该种基底材料上沉积金属元素，由于该种基底材料具有尖端电场集中效应，可以实现微量金属元素的精准沉积，从而减少金属元素的使用量，降低生产成本；同时由于尖端活性最强，可以使得沉积的微量金属元素发挥出最佳的催化活性。且本专利技术实施例中的制备方法工艺简单，易操作，制备时间短，可连续批量制备，适用范围较广，在催化领域具有良好的应用。
附图说明
[0021]图1为本专利技术中的基底材料在电解液中的电荷及电场分布、离子运动示意图。
[0022]图2为本专利技术实施例1中的在泡沫镍上原位生长的镍纳米锥的SEM图，其中(a)、(b)为不同放大倍数下的SEM图。
[0023]图3为本专利技术实施例2中的在泡沫镍上原位生长的镍铁纳米锥的SEM图。
[0024]图4为本专利技术实施例1与对比例1和2所制得的不同催化剂在1mol/L的KOH溶液中的析氢极化曲线。
[0025]图5为本专利技术实施例2与对比例3和4所制得的不同催化剂在1mol/L的KOH溶液中的析氧极化曲线。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0027]除非另作定义，本专利技术所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属领域内有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0028]在本文中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
[0029]在本文中，术语“约”、“左右”是指所列举的值的+/
‑
10％。
[0030]在本文中，在将值描述为范围的情况下，应当理解，这种公开包括在该范围内的所有可能的子范围的公开，以及落入该范围内的具体数值，而与是否明确指出具体数值或具体子范围无关。
[0031]本专利技术实施例一方面提出一种催化剂，包括：基底材料和沉积在基底材料上的金属元素，基底材料具有包括锥尖结构、针尖结构、或长径比为5～100的凸起结构中的至少一种。
[0032]本专利技术实施例中选用具有锥尖结构、针尖结构、和/或较大长径比凸起结构的材料作为沉积基底，该种基底材料具有尖端电场集中效应，能够优先吸引带相反电荷的离子在锥尖/针尖/凸起结构顶端聚集，从而可以实现微量金属元素的精准沉积，将金属元素的使用量降到非常低的水平，显著降低生产成本，同时由于尖端催化活性强，能让金属元素发挥出最佳的催化性能。
[0033]需要说明的是，本专利技术中的长径比指的是凸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化剂，其特征在于，包括：基底材料和沉积在基底材料上的金属元素，所述基底材料具有包括锥尖结构、针尖结构、或长径比为5～100的凸起结构中的至少一种。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述基底材料是通过在导电衬底上原位生长纳米锥、纳米棒或纳米线阵列制得。3.根据权利要求2所述的催化剂，其特征在于，所述纳米锥、所述纳米棒与所述纳米线阵列的材质为导电材料。4.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述金属元素为贵金属元素和/或非贵金属元素。5.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述金属元素在所述基底材料上的沉积量为0.00001～0.001mg/cm2。6.根据权利要求5所述的催化剂，其特征在于，所述金属元素沉积在所述基底材...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏，任志博，王晓龙，王金意，卢启辰，闫旭鹏，郭伟琦，
申请(专利权)人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：