[发明专利]一种钙钛矿氧化物催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钙钛矿氧化物催化剂及其制备方法和其在析氧反应中的应用。该钙钛矿氧化物催化剂，其结构式为ABO_3‑δ，其中A为稀土金属元素或者碱土元素，B为过渡金属元素，0≤δ≤1；所述B选自Nb、Ti、Co、Mn、Fe、Ni、Al、Mo、Cu、Sc或Cr中的两种或两种以上。本发明的钙钛矿氧化物催化剂具有优异的氧析出活性（OER）以及稳定性，可作为可再生燃料电池、可充电金属‑空气电池、水电解等领域的电催化剂。本发明的钙钛矿氧化物催化剂可以采用传统的溶胶凝胶法、固相法等工艺制备，方法简单，有大规模制备的潜力。

技术领域

本发明属于电化学催化领域，具体涉及一种钙钛矿氧化物催化剂及其制备方法和其在析氧反应中的应用。

背景技术

在当今世界，能源危机与环境污染是人类面临的两大难题。当前，世界能源消耗依然以化石能源为主，例如：煤、石油、天然气等。由于全球范围内工业化进程的加快，能源的需求量与日俱增，大量的化石能源被源源不断地开采出来，这也导致了能源枯竭、土地沙漠化等问题。由于能源结构的不合理和技术水平的限制，传统的化石燃料不仅能量利用率低，而且使用过程中会产生大量的二氧化碳、氮氧化合物、硫化物等废气以及粉尘等有害物质，产生一系列的环境问题。比如：全球变暖、雾霾、酸雨等。

人们迫切需要寻找和开发可持续发展的新能源，如：太阳能、生物质能、氢能、风能及核能等。在众多的新能源中，氢能由于具有重量轻、能量高、无污染、应用广等优势，受到人们的青睐。在科技发展的过程中，氢能不只是一种能源形式，更是一种能源载体，在能量的储存与转化的过程中扮演着及其重要的作用。目前对氢能的研究和应用主要集中在电解水、燃料电池和金属-空气电池。

在电解水的制氢领域中，主要受限于电解池阳极上的析氧反应（OER），通常需要高效的催化剂来加速这一反应。传统的催化剂常含有贵金属（如RuO2和IrO2），但由于贵金属储量低、价格昂贵且稳定性差的原因，亟须研发其他的非贵金属氧析出（OER）催化剂。

ABO₃型结构的钙钛矿型氧化物是一种结构和理化性质均可调的非贵金属材料，ABO₃中占据A位的为稀土或碱金属元素，B位为过渡金属元素。有些研究表明这类钙钛矿氧化物在氧析出反应（OER）中具有和贵金属催化剂IrO₂和RuO₂相当的本征催化活性，因而近年来对这一类氧化物的研究也越发地广泛。在很多的研究中，影响钙钛矿材料在氧催化反应（OER）性能的因素主要有以下几个方面：电子轨道的填充、共价键、氧空位、晶体结构、导电率等。为了提高催化剂的催化活性，在催化剂的A、B位选择一种或者多种元素离子进行掺杂，改变其形貌，提高催化剂本征活性和稳定性是一种可行的办法。因此，选择合适的掺杂元素是提高催化剂性能的关键之一。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种高价态离子共掺杂的钙钛矿氧化物催化剂及其制备方法，该钙钛矿氧化物催化剂具有优异的氧析出活性（OER）以及稳定性，可再生燃料电池、可充电金属-空气电池、水电解等领域的电催化剂。

一种钙钛矿氧化物催化剂，其结构式为ABO_3-δ，其中A为稀土金属元素或者碱土元素，B为过渡金属元素，0≤δ≤1；

所述B选自Nb、 Ti、 Co 、Mn、Fe、Ni、Al、Mo、Cu、Sc或Cr中的两种或两种以上。

进一步地，所述A选自Sr、La、Ca、Na、K或Ba中的一种。

上述钙钛矿氧化物催化剂的制备方法为溶胶-凝胶法，具体是将A元素的硝酸盐与B元素的硝酸盐或草酸盐或有机物混合，再加入柠檬酸和乙二胺四乙酸作为络合剂，然后加入氨水调节pH值，混合溶液经搅拌加热至溶液呈现胶状，烘干后，进行煅烧，得到钙钛矿氧化物催化剂。

进一步地，所述烘干温度为100～300℃、烘干时间为3-8h；煅烧温度为800-1000℃、时间为3-8h。