[发明专利]一种非常规局域结构的电解水催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种非常规局域结构的电解水催化剂及其制备方法；在制备方法中，通过使用超声波辅助三价铁溶液处理的方法选择性地溶解钙钛矿的A位元素，将小比表面积的钙钛矿晶体氧化物转变成具有纳米结构的无定形氢氧化物，该氢氧化物具有非同寻常的局域电子结构和几何结构，因而具有超高的氧析出性能。本发明考虑到钙钛矿材料AB位元素的酸碱度差异，选择了具有合适酸度的三价铁作为调节剂，使用超声波辅助三价铁溶液处理的方法，能选择性地溶解A位元素，带来更多的缺陷和更大的比表面积，改变材料结构，引入新的活性位点，导致超高的OER活性，可应用至燃料电池，金属‑空气电池以及电解水等领域。

技术领域

本发明涉及一种非常规局域结构的电催化剂及其制备方法，属于电催化材料合成领域。

背景技术

能源和环境问题日益成为人们关注的焦点。当前，以煤炭、石油等化石燃料作为主要燃料的国家，已面临严重的环境污染，加上化石燃料有限储量减少的双重危机日益加深，开发和利用清洁可再生能源，改善能源结构，减少温室气体排放，保护人类赖以生存的环境，已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分。电解水以及光分解水能提供源源不断的氢气，而氢气被认为是驱动燃料电池以及把二氧化碳还原到燃料的清洁能源载体。而析氧反应（OER）是其中最关键的一个反应。

然而，这个半反应需要通过多步四电子-氧化过程完成。因此，其反应动力学非常缓慢。贵金属RuO₂或IrO₂ 对于析氧反应（OER）有着很好的催化活性，但是这些贵金属催化剂由于高昂的成本以及其稳定性较低等原因，不能满足大规模的应用要求。

钙钛矿材料具有很高的OER本征活性，但是其比表面积很小，严重阻碍了钙钛矿作为OER催化剂的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于制备具有高活性以及高稳定性的OER催化剂，主要内容是将结晶的钙钛矿氧化物中A位元素溶解，从而得到高比表面积、无定形且具备非常规局域结构的氢氧化物。这一发明可用于碱性水电解，金属-空气电池以及燃料电池等领域。

本发明的技术方案为：将具有晶体结构的钙钛矿氧化物浸泡在三氯化铁溶液中，超声波加速反应的进度以及组织产物的团聚。钙钛矿氧化物从结晶的大颗粒变为纳米级别的无定形氢氧化物。与传统的共沉淀法制备的无定形氢氧化物相比，我们的策略能得到高价态的B位元素，以及特殊的几何构型，这种特殊的局域结构能极大地促进OER性能。

本发明的第一个方面，提供了：

一种非常规局域结构的电解水催化剂，是通过将钙钛矿氧化物材料中的A位元素溶出后所得到的。

在一个实施方式中，所述的钙钛矿材料选自单钙钛矿氧化物、双钙钛矿氧化物或者类钙钛矿氧化物中的一种或几种的混合。

在一个实施方式中，单钙钛矿氧化物的分子式为ABO₃；类钙钛矿氧化物的分子式为A₂B₄O₄；双钙钛矿氧化物的分子式为AA’B₂O₆或者A₂BB’O₆。

在一个实施方式中，A位元素是稀土金属离子或碱土金属离子的一种或者几种。

在一个实施方式中，A位元素是酸度低的稀土金属离子或碱土金属离子的一种或者几种。

在一个实施方式中，A位元素是Ba、La或者Sr。

在一个实施方式中，B位元素为过渡金属离子的一种或几种。

在一个实施方式中，B位元素是酸度高的过渡金属离子的一种或几种。

在一个实施方式中，B位元素是Mn、Ni、Co或者Fe的一种或几种。