[发明专利]一种高效稳定的双功能催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种二元、三元过渡金属氢化物催化剂的制备方法及其在电催化析氢和燃料电池中的应用。催化剂的分子式为Pt/H_xM_aR_bY_cO₃，其中M、R、Y为三种不同的过渡金属，x值为0.01～1，0≤a＜1、0≤b＜1、0≤c＜1，a+b+c＝1，催化剂中Pt质量含量为0.01％～20％。本申请的Pt/H_xM_aR_bY_cO₃作为电解水催化剂，其在酸性电解液中的电化学性能与商业化的碳载铂催化剂性能相当，并且Pt/H_xM_aR_bY_cO₃具有极高的稳定性，且制备工艺简单，容易放大，因此，能够作为碳载铂催化剂的替代品，有效的降低制氢成本。此类具有电催化析氢、氧还原反应的双功能催化剂也未曾见报道。

技术领域

本发明属于催化剂领域，特别涉及一种二元、三元过渡金属氢化物的制备方法及其在电催化析氢和燃料电池中的应用。

背景技术

氢能是21世纪最理想的绿色能源，具有清洁、高效的优质特点。目前氢能的制备技术主要有三种，即化石燃料制氢，水分解制氢和生物质原料制氢。其中，电解水制氢技术因其工艺简单、无污染、产品纯度高、应用性强的技术特点成为世界各国的研究重点。利用可再生能源水作为最基本的原料进行水的电解制氢，目前电解水制氢所制的产量占氢气总产量的5％，所制备的氢气的纯度为99.999％。电解水制氢时，在阴极，水分子分解为氢氧根离子(OH^-)和氢离子(H⁺)，氢离子得到一个电子生成氢原子，两个氢原子结合进一步生成氢分子(H₂)；氢氧根离子(OH^-)则电场力作用下，穿过电解质膜，从阴极到达阳极，在阳极失去电子生成水分子和氧分子。但由于阴极析氢过电位的存在，水的电解效率较低，导致该工艺耗能巨大。目前工业上使用的电解水产氢催化剂是多以铂为代表的贵金属材料(碳载铂)，价格昂贵且资源匮乏，因而开发低成本、高效能的电解水产氢催化剂是能源、催化和材料领域的研究热点。质子交换膜燃料电池(PEFCs)是利用氢气及氧气作为燃料的一种新型清洁能源，其中阳极与阴极均采用铂贵金属催化剂，然而质子交换膜燃料电池面临氧还原反应动力学慢、催化剂寿命短、价格昂贵等特点，导致质子交换膜燃料电池商业化进程缓慢。

近年来，开发双功能催化剂受到广发的关注，氮、磷、硫、硼等元素掺杂碳材料被广泛的研究作为电催化析氧(OER)及氧还原反应(ORR)催化剂。过渡金属磷、氮化物也长被作为电催化析氢(HER)及电催化剂析氧反应(OER)，即电解水催化剂。然而对于电催化析氢及氧还原反应双功能催化剂的研究较少见诸报道。

发明人程寒松教授及其团队通过长期的探索和研究，发现了一类过渡金属氧化物具有良好的加/脱氢性能，且循环寿命高，此类材料加氢后变成电子导体。电化学析氢原理与加氢脱氧(HDO)、加氢脱氮(HDN)和加氢脱硫(HDS)类似，因此此类材料完全可成为高效稳定的电化学析氢催化剂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种具有高效稳定的电解水制氢及氧还原反应性能的双功能催化剂，既Pt/H_xM_aR_bY_cO₃，并提供上述催化剂的制备方法以及应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高效稳定的双功能催化剂，所述催化剂的分子式为Pt/H_xM_aR_bY_cO₃，其中M、R、Y为两种或三种不同的过渡金属，x值为0.01～1，0≤a＜1、0≤b＜1、0≤c＜1，a+b+c＝1，催化剂中Pt质量含量为0.01％～20％。