[发明专利]一种电催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种氢掺杂二氧化钛电催化剂的制备方法，使用钛酸四丁酯作为原料，首先利用溶剂热法使钛酸四丁酯在HF水溶液中合成暴露出高能{001}晶面的TiO₂前驱体，再利用酸‑金属处理的方法对TiO₂前驱体进行氢掺杂，将TiO₂和金属Zn同时分散到盐酸溶液中，利用TiO₂和金属Zn之间的功函数差，将溶液中的氢掺入到TiO₂中，最终得到了目标材料氢掺杂暴露出高能晶面的二氧化钛(H‑TiO₂)。本发明提供的方法制得的H‑TiO₂具有优良的电化学性能以及高选择性，能够在较低过电位下选择性的将O₂两电子还原为H₂O₂，实现了在常温常压的温和条件下电催化合成H₂O₂，具有广阔的实际应用的潜力。本发明还提供了一种氢掺杂二氧化钛电催化剂。

技术领域

本发明属于能源化工技术领域，尤其涉及一种电催化剂及其制备方法，更进一步为一种电催化氧还原制备H₂O₂的电催化剂。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)最重要的化工产品之一，广泛用于化工合成、医药、环保和燃料电池技术，使得其近年来需求大增。目前工业合成H₂O₂高度依赖于蒽醌法，该工艺涉及蒽醌分子的有序氧化和还原，虽然这种方法可以用于大规模生产，但仍有许多挑战需要解决，例如从H₂O₂中分离出有机杂质、工业废物的处理以及与H₂O₂的储存和运输有关的潜在安全风险。另一种合成H₂O₂的方法是使用催化剂将氢气和氧气直接合成H₂O₂，但是，氢气和氧气的混合过程有爆炸的风险。电化学作为一种安全绿色、环境友好的技术，成为了一个很有前景的解决方案。通过两电子氧还原反应(2e-ORR)的电化学过程可以直接将O₂还原为H₂O₂，这种方法具有反应条件温和、易操作、安全无害等优点。O₂的还原分为两电子路径和四电子路径，两电子氧还原将生成目标产物H₂O₂，然而四电子氧还原将会生成副产物H₂O，造成能源的浪费。因此，实现该工艺规模化的关键是开发高效、经济可行、高选择性和高活性的电催化剂。

目前贵金属(如Pt，Pd，Au)及其合金已经可以被用于催化氧还原反应，因为其拥有高效的催化性能，但贵金属的稀缺以及其高昂的价格限制了它的应用。因此，利用廉价的商业原料开发高性能、非贵金属的电催化剂对两电子ORR产H₂O₂的实际应用提出了巨大的挑战。与贵金属基催化剂相比，过渡金属氧化物具有价格便宜、结构稳定等优点，但是由于其并不活跃的氧化还原性质，过渡金属氧化物不能直接作为电催化剂。如何开发出高氧化还原活性的过渡金属氧化物电催化剂，使其能够催化两电子氧化过程合成H₂O₂便显得尤为关键。

TiO₂作为一种重要的金属氧化物半导体，具有价格低廉、结构稳定、环境友好等优点。然而，由于其较低的电导率和反应活性，阻碍了TiO₂成为高效的电催化剂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电催化剂及其制备方法，解决了电催化产H₂O₂催化剂存在的过电位高、选择性低等问题，并且实现大规模工业化生产；本发明提供的电催化剂结构稳定、价格便宜、环境友好，为一种过渡金属氧化物电催化剂，本发明提供的方法通过水热法结合酸-金属处理的方法制备出具有显著电催化活性、高选择性的H-TiO₂电催化剂。