[发明专利]水分解催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种水分解催化剂及其制备方法和应用。所述水分解催化剂包括基底以及负载于所述基底上的尖晶石型复合氧化物，所述尖晶石型复合氧化物包括钴锰复合氧化物、钴镍复合氧化物和钴镍锰复合氧化物中的至少一种。所述水分解催化剂具有尖晶石固定的几何八面体和四面体，过渡金属在几何八面体和四面体中占位提供了大量的活性位点和较大的相对比表面积，具有优良的水分解催化性能。

技术领域

本发明属于电化学催化领域，具体涉及一种水分解催化剂及其制备方法和应用。

技术背景

随着化石燃料的日益稀缺和枯竭，可持续能源的转化和存储技术受到了人们的极大关注。现代的生活方式需要安全可靠、稳定可持续的能源为我们的日常消耗提供动力来源。进入21世纪后，工业4.0时代对高效能源的生产和利用提出了更高要求，我们迫切地需要寻求一种可持续发展的未来清洁能源制备方案。氢能源因为其热值高、产物无污染，同时不像核能等对安全性、技术性要求极高，风能、潮流能或太阳能等对气象因素、地理位置要求苛刻，发展成为了替代传统能源的未来能源载体研究热门。

电催化水分解制备氢气因为原料廉价易获取、制备方便快捷，正逐渐成为最有前景替代原有工业蒸汽重整技术来获取高纯氢气的制氢方式，同时也为“氢经济”时代的到来提供了可能。然而，复杂的四电子-质子耦合的阳极氧析出反应(OER)，以及缓慢的阴极析氢反应(HER)，使得电催化水分解实际所需的驱动电压往往远高于理论值的1.23V以克服动力学极化过电势带来的电能损耗。然而目前商用的高效OER电催化剂主要是Ir、Ru金属及其氧化物，其HER活性并不理想；而HER催化剂主要是Pt、Pd基材料，其OER过电势较高；同时由于贵金属地壳储量有限、制备工艺复杂、应用成本高而难以满足日益提高的能源需求。

因此，我们迫切需要发展活性媲美贵金属、稳定性高的非贵金属基电催化剂材料，使其在同一电解质环境中同时具备高的HER和OER双功能催化活性；同时具有良好的导电性和亲水性，以降低电催化水分解的总过电势从而降低能源消耗。

发明内容

针对上述技术中的问题与挑战，本发明提供了一种具有高稳定性且形貌可控的水分解催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的尖晶石型水分解催化剂具有大量的活性位点和较大的相对比表面积，使得本发明的水分解催化剂具有优良的水分解催化性能。

在第一方面，本发明提供一种水分解催化剂，所述水分解催化剂包括基底以及负载于所述基底上的尖晶石型复合氧化物，所述尖晶石型复合氧化物包括钴锰复合氧化物、钴镍复合氧化物和钴锰镍复合氧化物中的至少一种。

根据本发明的一些实施方式，所述尖晶石型复合氧化物为钴锰复合氧化物。在一些实施方式中，所述钴锰复合氧化物中，锰元素与钴元素的摩尔比为1:4至1:7，例如1:4.5、1:5.2、1:5.5、1:5.7、1:5.9、1:6.2、1:6.5或它们之间的任意值。在一些实施方式中，所述钴锰复合氧化物中，锰元素与钴元素的摩尔比为1:5至1:6。在一些实施方式中，所述钴锰复合氧化物为钴酸锰。

根据本发明的一些实施方式，所述尖晶石型复合氧化物为钴镍复合氧化物。在一些实施方式中，所述钴镍复合氧化物中，镍元素与钴元素的摩尔比为1:4至1:7，例如1:4.5、1:5.2、1:5.5、1:5.7、1:5.9、1:6.2、1:6.5或它们之间的任意值。在一些实施方式中，所述钴镍复合氧化物中，镍元素与钴元素的摩尔比为1:5至1:6。在一些实施方式中，所述钴镍复合氧化物为钴酸镍。