[发明专利]一种贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂及其制备方法和应用，属于碱性电解池水分解领域。该贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂先将过渡金属盐和贵金属盐混合进行水热反应制备包覆贵金属的尖晶石前驱物阵列；然后通过对上述前驱物阵列进行高温焙烧得到贵金属单原子调控的尖晶石阵列催化剂。本发明还提供上述制备方法得到的贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂。所制备得到的贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂应用在碱性电解池中，具有优异的电催化析氢、析氧及全电解水性能。

技术领域

本发明涉及碱性电解池水分解领域，具体涉及一种贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

电化学水分解是有效制备氢气并进一步实现其工业化的重要手段，进而为解决日益严重的能源危机和环境污染能问题发挥关键作用[Chem.Soc.Rev.2015,44,5148；Adv.Mater.2020,32,1806326]。尽管科学家们对开发非贵金属催化剂方面已作出巨大努力，但与贵金属催化剂相比，它们仍展示出相对差的电化学性能既较高的过电位[Nat.Commun.2014,5,3783；Nat.Mater.2012,11,802]。基于贵金属的催化剂已广泛应用于工业应用，但其储量稀缺，使得相关产业生产成本升高。将贵金属分散成超细纳米粒子，是提高其效率和催化反应性能的有效策略[Nat.Nanotech.2018,13,856]。近年来单原子催化剂(SACs)，包含载体上担载的原子级分散的活性金属位点，作为一种新型的催化材料，以其独特的催化性能在催化领域具有广阔的应用前景。为了构建具有精确结构和高密度的单原子位点的SACs及防止单原子聚合为纳米颗粒，调控载体上活性位点的分布和化学键合可使催化剂在各种催化反应中具有优异的活性和选择性[Adv.Mater.2019,31,1902031.]。

尖晶石(分子式简写为AB₂O₄,其中A和B是金属离子)由于具有磁性、光学、导电性和催化性等特性在数据存储、生物技术、电子、激光、传感器、转换反应和能量存储/转换等方面发挥了重要作用，这在很大程度上取决于它们的精确结构和组成[Chem.Rev.2017,117,10121]。尖晶石不仅具有蕴藏丰富和原材料廉价的优势，而且在碱性溶液下展示出优异的催化活性和稳定性,因此作为最有前途的非贵金属电催化剂用于氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)，进而收到科研工作者的广泛关注。近年来已有部分尖晶石复合材料[J.Am.Chem.Soc.2015,137,2688]被用于加速析氢反应(HER)，但其催化性能和稳定性相对较差。但值得一提的是，目前为止利用贵金属单原子调控尖晶石阵列材料用于高效水电解反应的研究未见报道。综上所述，利用贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂将会成为一种有效的全电解水催化剂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有尖晶石析氢催化剂催化活性低和稳定性相对差的技术问题，而提供一种贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂及其制备方法和应用。

本发明首先提供一种贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂的制备方法，该方法包括：

步骤一：制备包覆贵金属的尖晶石前驱物阵列；

步骤二：对步骤一中所得的尖晶石前驱物阵列置于管式炉中在300～600℃下加热0.5～4h，制备得到贵金属单原子调控尖晶石阵列催化剂。

优选的是，所述的包覆贵金属的尖晶石前驱物阵列的制备方法为：在反应釜中将金属盐于水中充分溶解，然后将导电基底用稀盐酸、乙醇、去离子水清洗后斜插入反应釜；密封反应釜后放入鼓风烘箱中在80-200℃下反应6个小时；待自然冷却后用乙醇和去离子水反复冲洗即得到包覆贵金属的尖晶石前驱物阵列。

优选的是，所述的金属盐为钴盐、镍盐、铁盐、锰盐及锌盐中的两种。

优选的是，所述的金属盐为氯化镍、氯化钴、氯化亚铁、氯化锌、硝酸镍、硝酸钴或硝酸铁中的两种。