[发明专利]一种负载型单原子Pd催化剂及其制备方法和催化应用

说明书

本发明公开了一种负载型单原子Pd催化剂及其制备方法和催化应用。本发明在NiFe水滑石载体上，采用光沉积还原法成功制备了负载型单原子Pd催化剂材料，并利用多种表征技术表征了单原子Pd催化剂材料的形貌、结构和价态等性质。本发明通过比较载体、单原子Pd催化剂和纳米Pd催化剂的电催化氧化乙醇反应结果可知，单原子Pd催化剂对于电催化氧化乙醇反应有最佳的催化活性和稳定性。并且单原子Pd催化剂的氧化峰峰电流密度约是NiFe水滑石载体的5倍。经过不同氢气还原处理后，单原子催化剂的电催化活性又有明显提高，约是未还原处理样品的1.5倍。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，涉及一种负载型单原子Pd催化剂及其制备方法和催化应用，尤其是，利用光沉积还原法制备以水滑石为载体的负载型单原子Pd催化剂及其电催化氧化乙醇反应的应用。

背景技术

化石燃料持续消耗引起了严重的环境污染和能源枯竭问题。为了改善这种情况，发展清洁、高效的可再生能源及能源设备成为了当今社会的战略目标。燃料电池是一种可以直接将化学能转化成电能的装置，且不受卡诺循环的影响，具有高效环保等优点。与直接甲醇燃料电池相比，乙醇燃料电池(DEFC)具有能量密度高(约为8.01kW·h/kg，能量效率为0.97)、来源广泛、便于储存和运输、无毒等优点。目前DEFC主要存在两个问题限制了其大规模商业应用。其一为DEFC的阳极催化剂易被乙醇氧化中间产物毒化，导致催化剂活性减弱；以及反应过程中主要氧化产物为不完全氧化产物乙酸和乙醛等，而不是可以实现12个电子转移的CO₂，仅能释放出小部分能量。因此在对乙醇催化氧化机理的深入探究的同时，抗毒化作用好以及活性较高的新型电催化剂的开发对发展DEFC具有重大意义。

直接乙醇燃料电池分为酸性介质的DEFC和碱性介质的DEFC。在碱性介质的DEF中，Pd基催化剂和Ni基催化剂引发了研究者的关注和研究。这是由于Pd对有机小分子醇类具有较高的电催化活性及稳定性。Ni基催化剂稳定好，但是催化活性不高。与非贵金属相比，Pd贵金属全球储量极低、价格高。为了更好的提高乙醇电催化氧化的转化效率，降低生产成本，在含镍的水滑石载体上负载Pd的单原子是有效的办法。在碱性介质中的电催化氧化乙醇反应中，含Ni基催化剂的电极上，乙醇氧化的催化活性主要取决于Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原对之间相互的转换。单原子Pd的存在加强乙醇及乙醇氧化中间产物的吸附和C-C键断裂。同时镍铁水滑石反应中中间混合氧化物(镍氧化物和铁氧化物)也是电子转移的良好媒介。

发明内容

针对上述问题，本发明通过使纳米Pd催化剂甚至单原子Pd催化剂在水滑石载体上的高分散，避免电极表面覆盖，以利于提高电催化氧化乙醇反应的活性和稳定性。

本发明提供了一种负载型单原子Pd催化剂及其制备方法和催化应用，利用光沉积还原法制备以水滑石为载体的负载型单原子Pd催化剂将其用于电催化氧化乙醇反应。

一种负载型单原子Pd催化剂，其特征在于，在光沉积还原后单原子Pd分布于水滑石载体层板上或者层板之间，其中Pd的负载量为0.1-0.3wt％。

优选的，所述水滑石载体是镍铁水滑石，Ni/Fe的摩尔比为3/1。

优选的，所述镍铁水滑石载体上Pd负载量为0.1wt％。

一种负载型单原子Pd催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)双滴法制备水滑石载体；

(2)利用光沉积还原的方法将Pd离子以单原子Pd的形式还原负载在水滑石载体上。

优选的，所述步骤(1)中，所述水滑石载体是镍铁水滑石，Ni/Fe的摩尔比为3/1。

优选的，所述步骤(1)中，通过镍盐和铁盐制备所述镍铁水滑石，所述镍盐包括硝酸镍、氯化镍或硫酸镍中的至少一种，所述铁盐包括硝酸铁、氯化铁或硫酸铁中至少一种。