[发明专利]一种金属原子掺杂的电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种金属原子掺杂的电催化剂及其制备方法和应用。所述贵金属原子掺杂的电催化剂，包括：半导体和以氧化态的形式分布在半导体中的贵金属原子；所述半导体为SnO₂、TiO₂、CuO_x的至少一种；所述贵金属原子为Pt、Pd和Ag中的至少一种。

技术领域

本发明涉及一种电催化剂及其制备方法和应用，具体涉及一种金属原子掺杂的电催化剂及其制备方法和应用，特别涉及一种贵金属原子掺杂的金属氧化物半导体电催化剂的制备方法和应用，属于电催化剂领域。

背景技术

随着工业化进程的加速和人类社会的快速发展，大量的化石能源被消耗，大气层CO₂的含量急剧增长，引发了一系列的能源危机和环境危机。将过量的CO₂催化还原为CH₄、HCOOH、CH₃OH、CH₃CH₂OH等化学燃料是全球面临的重要挑战之一，对可再生能源存储和环境保护具有重要的意义。催化还原CO₂方法很多，包括热催化、光催化、电催化以及新近发展的光电催化等。如何在比较温和的条件下高效地将CO₂还原为高附加值的化学品，一直以来是催化领域的研究热点和难点之一。

金属氧化物由于其具有稳定的电化学性能，绿色环保和对甲酸有很强的选择性而成为了CO₂电化学还原的研究热点。如何通过对金属氧化物电子结构的调控，进一步改善其对液相CO₂还原产物甲酸的选择性具有重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明目的在于提供一种贵金属原子掺杂的金属氧化物半导体电催化剂的制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种贵金属原子掺杂的电催化剂，包括：半导体和以氧化态的形式分布在半导体中的贵金属原子；所述半导体为SnO₂、TiO₂、CuO_x的至少一种，；所述贵金属原子为Pt、Pd和Ag中的至少一种。

在本发明中，贵金属原子掺杂的氧化物半导体，可以利用掺杂的贵金属原子调控半导体的电子结构，通过调控CO₂还原中间产物在电催化剂上的吸附强度，达到对目标产物产物甲酸的选择性。

较佳的，所述贵金属原子的含量为0.1～1wt％。

较佳的，所述贵金属原子掺杂的电催化剂的粒径为4nm～6nm。

另一方面，本发明提供了一种贵金属原子掺杂的电催化剂的制备方法，包括：

(1)将贵金属源溶解在水、乙二醇与聚乙烯吡咯烷酮PVP的混合溶液中，得到贵金属源溶液；

(2)将贵金属源溶液进行水热预处理，得到表面活性剂稳定的贵金属物种溶液；

(3)在半导体金属源溶液中加入表面活性剂稳定的贵金属物种溶液并混合，先进行水热晶化处理，再经过过滤、洗涤、冷冻干燥，得到所述贵金属原子掺杂的电催化剂。

在本公开中，本发明通过水热预处理得到表面活性剂稳定的贵金属物种(例如，Pt、Ag和Pd等)，然后在通过水热晶化法获得贵金属原子掺杂的金属氧化物半导体(例如SnO₂、TiO₂、CuO_x等)。

较佳的，所述贵金属源为氯铂酸、硝酸钯和硝酸银中的至少一种；所述表面活性剂稳定的贵金属源溶液中贵金属浓度为1～5mg/mL。

较佳的，所述水、乙二醇与聚乙烯吡咯烷酮PVP的混合溶液中乙二醇与水的体积比为1～20，聚乙烯吡咯烷酮PVP的浓度为1～10mg/mL。

较佳的，所述水热预处理的温度为150℃～200℃，水热预处理的时间为5分钟～30分钟。