[发明专利]一种金属催化剂及其制备方法与应用

说明书

本申请公开了一种金属催化剂及其制备方法与应用，所述金属催化剂的制备方法包括以下步骤：将含有金属前驱体及金属粉末的混合物高温喷涂至导电基底上，得到金属催化剂。该方法步骤简单，且不局限特定的金属和基底材料，具有一定的普适性；采用该方法便于控制最终活性金属颗粒在导电基底上的尺寸大小，可以制备出原子级分散、金属原子团簇及纳米金属粒子，确保活性金属颗粒的高分散性。采用该方法制取的金属催化剂应用于电解水反应中时可显著提高能量转化效率，降低单位制氢能耗。

技术领域

本发明涉及电解水领域，特别是涉及一种金属催化剂、制备方法及在电解水中的应用。

背景技术

随着氢能行业、绿色经济及“低碳化”要求的发展，氢气正式作为能源或能源载体进入民用、工业化生产中。目前工业制氢仍主要来自化石资源，并未从源头上解决绿色可持续的问题，也无法解决大气污染和雾霾等环境生态问题。由太阳能等可再生能源出发，通过水电解制氢，有望根本上解决目前的能源供给和环境问题。

目前水电解制氢是一种较为方便、相对高效的制取氢气的方法。当前碱性电解水制氢工业一般采用过渡金属基催化剂(金属镍、不锈钢等)作为电极材料。为了实现一定的氢气产量和能量利用效率，工业上碱性电解水制氢操作电压通常高达2-2.2V，远大于其热平衡理论最低值1.48V，导致电解效率较低(59～70％)，单位制氢能耗较大(5.0～6.6kWh·Nm^-3)。主要原因是目前商业化电解水电极催化活性较低，析氢、析氧反应过电位过高。因此，需要尽可能地减少电解槽工作电压，增大工作电流，从而提高电解槽能量效率及降低能耗。

从目前电解水催化剂的发展来看，多孔金属基底由于较大的比表面积、适中的孔结构以及足够的机械强度，常被用做电极骨架来支撑催化反应活性中心。通过在骨架上引入过渡金属元素构筑新一代电催化剂。例如专利CN201810487534、CN201510303542引入过渡金属氧化物、氢氧化物构建活性中心，专利CN201510607936、CN201510295130、CN201610043831、CN201510334080引入氮化物、硫化物、硒化物、磷化物等来构筑活性中心，这些电解水催化剂表现出接近或与贵金属相当的催化活性。但这些材料中催化活性中心是通过较大的纳米颗粒形式引入和构建的，一方面很多催化活性位点是包裹在颗粒内部，不能有效地得到利用；另一方面增加了原料的成本。

近年来的发展显示，通过理性构筑活性中心结构，缩小颗粒尺寸至几个纳米、亚纳米团簇、甚至原子尺度分散时，材料可展示出特异的优于贵金属的催化水分解活性。专利CN201811375698公开了一种钌呈原子级分散的复合材料的制备方法；先以溶液法合成水滑石材料作为载体，然后在含钌的碱性溶液中处理载体，再经分离、真空干燥等处理得到原子级分散在水滑石上的钌催化剂。CN201910517151公开了一种在特定的反应腔室内、一定真空度下，在等离子体气氛中处理前驱物，得到单原子材料的方法。

目前催化活性中心小尺度、高度分散的材料的制备和研究取得了一定的进展，但是制备过程条件苛刻，元素种类受限、催化剂粉末需二次成型等问题。在实际工业应用中无法快速、高重复性、工业级放大生产。因此，如何开发一种具有普适性、易于调节负载量、适合工业大量及快速生产的活性中心高分散、甚至原子级分散电极极板的制备方法已成为目前亟待解决的问题。

发明内容

根据本申请的第一个方面，提供了一种金属催化剂的制备方法，该方法步骤简单，且不局限特定的金属和基底材料，具有一定的普适性；采用该方法便于控制最终活性金属颗粒在导电基底上的尺寸大小，可以制备出原子级分散、金属原子团簇及纳米金属粒子，确保活性金属颗粒的高分散性。

所述金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将含有金属前驱体及金属粉末的混合物高温喷涂至导电基底上，得到金属催化剂。

可选地，所述金属前驱体为金属无机盐或金属有机配合物；