[发明专利]一种单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂、制备方法及应用。根据铂对电极在长时间的析氢条件下会发生微量溶解的现象，使用循环电势法将铂单原子掺杂到纳米多孔金属化合物中获得单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂。本发明中的单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂在全pH条件下有着可以比拟甚至超越商业Pt/C催化剂的电催化析氢性能，其制备过程简单可控、成本低廉、环境友好、可实现规模化和工业化，显示出该催化剂广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物、制备方法及应用，属于单原子催化剂的制备技术。

背景技术

随着经济的快速发展，化石燃料大量燃烧，对环境造成了极大的污染。使用洁净，安全的氢能源替代化石能源是目前能源领域的重要发展方向。电解水析氢是氢能源循环的关键，目前电解水存在的一个重要的问题是析氢过电势高造成的高能耗。铂系贵金属催化剂是电催化析氢性能最好的催化剂，但其资源稀缺，价格昂贵。非贵金属催化剂成本低，但电催化析氢性能不如铂系贵金属催化剂。因此，制备一种电催化析氢性能优越且成本低廉的电催化析氢催化剂具有十分重要的意义。为了解决这个问题，单原子催化近年来在电催化领域引起了广泛的关注。

单原子催化剂兼具均相催化剂活性中心均匀单一和多相催化剂结构稳定易分离的特点，有很高的电催化活性和电化学稳定性，且原子利用率高达100％，因而在析氢、析氧、氧还原、二氧化碳还原等电催化领域有着广阔的应用前景。单原子催化剂中的金属原子孤立存在，在制备和实际应用的过程中容易出现团聚失活的现象。为了解决单原子催化剂制备和应用方面的问题，寻找合适的制备方法和能够稳定锚定单原子的载体十分重要。常见的单原子催化剂的载体有金属、金属氧化物、碳材料等(Zhu et al.,Angew.Chem.Int.Ed.2017,56, 13944-13960.)。纳米多孔金属化合物具有巨大比表面积且拥有良好的电化学稳定性(Tan et al., Adv.Mater.2016,28,2951-2955.)，是单原子催化剂载体的一种很好的选择。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种通用的单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂、制备方法及其应用。该方法制备得到的催化剂电催化析氢性能优越、电化学稳定性良好、成本低廉。该方法制备过程简单可控，可实现规模化和工业化制备。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂(Pt/np-MX)，其特征在于，孤立存在的单原子铂的尺寸在亚纳米尺度；所述金属化合物的化学式为MX，M为过渡金属元素，X为非金属元素；所述的单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂具有自支撑双连续纳米多孔结构。

进一步地，所述过渡金属元素为Co、Fe、Ni、Cu、Cr中的一种，所述非金属元素为Se、P、S中的一种。

进一步地，所述过渡金属元素优选为Co、Fe、Ni中的一种，所述非金属元素优选为Se、P、S中的一种。

进一步地，所述单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂包含Pt/np-Co_0.85Se、Pt/np-Co₂P、Pt/np-Co₉S₈中的至少一种。

如上所述的单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

电弧熔炼一定比例的纯金属和金属化合物制备合金锭并对合金锭进行再熔融甩带。

进一步地，使用电化学工作站对甩带得到的合金条带进行微观电偶腐蚀得到自支撑的三维纳米多孔金属化合物。

进一步地，通过在电化学工作站三电极体系中进行长时间的循环伏安扫描，将对电极铂片中的铂微量溶解到电解质溶液中并锚定到工作电极纳米多孔金属化合物上得到单原子铂掺杂的纳米多孔金属化合物催化剂。