[发明专利]一种氧空位锚定的铱单原子催化剂、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种氧空位锚定的铱单原子催化剂，包括羟基氧化钴衬底和单分散地生长在所述羟基氧化钴表面氧空位处的铱单原子；所述氧空位锚定的铱单原子催化剂中铱单原子的质量分数为1～1.5％。本发明制备的催化剂中Ir单原子中心与最近邻的六个氧配位，通过Ir‑O‑Co键与衬底紧密结合。Ir单原子的配位氧有利于在析氧反应中与带有氢的中间体形成氢键，稳定反应中间体，从而降低速控步的反应势垒，加快析氧反应的动力学过程。该Ir₁/CoOOH催化剂表现出了优于商用析氧反应催化剂氧化铱的催化活性，且具有较好的稳定性。本发明提供了一种氧空位锚定的铱单原子催化剂的制备方法及应用。

技术领域

本发明属于电催化反应技术领域，尤其涉及一种氧空位锚定的铱单原子催化剂、其制备方法及应用。

背景技术

近年来，能源短缺，环境污染问题日益严重，探索开发清洁、可持续的能源存储和转化系统具有十分重要的意义。氢能作为新型可再生清洁能源受到了广泛关注。电催化水分解作为重要的产生氢能的方式，能够得到清洁高效的氢能。然而，电催化水分解产生氢气的同时总是伴随着析氧反应的发生，析氧反应过程存在四电子转移路径，动力学缓慢和需要高过电位等问题，极大限制了能源转化过程的发展。因此发展高效的析氧反应催化剂至关重要。目前常用的高效电化学析氧反应催化剂主要是氧化铱和氧化钌一类的贵金属催化剂。但是由于贵金属储量少、价格高，其大规模的生产和应用受到了限制。因此降低贵金属负载量或者开发非贵金属催化剂十分必要。以羟基氧化钴为代表的过渡金属氧化物由于储量丰富，价格低廉，并具有稳定的析氧反应催化活性而受到广泛关注，但是其本身的析氧反应活性相对贵金属催化剂还有待提高。因此研制低贵金属负载量、高活性的电催化析氧反应催化剂尤为重要。

单原子催化剂是一类将孤立的金属原子分散在衬底上的新型催化剂。由于其具有最大的原子利用率、独特的电子结构和均一的活性位点，因此在众多催化反应中表现出了较高的活性和选择性。单原子催化剂不仅可以通过金属中心与衬底的相互作用改变金属中心的催化性能，单原子也可以反过来影响衬底本身的催化活性。我们可以在羟基氧化钴上生长合适的单原子金属来提升其电催化析氧反应性能。然而，单原子催化剂中孤立的金属原子往往具有较高的表面能，极易发生团聚。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧空位锚定的铱单原子催化剂、其制备方法及应用，本发明中的铱单原子催化剂中的铱单原子单一分散、均匀稳定，具有优异的析氧反应催化活性。

本发明提供一种氧空位锚定的铱单原子催化剂，包括羟基氧化钴衬底和单分散地生长在所述羟基氧化钴表面氧空位处的铱单原子；

所述氧空位锚定的铱单原子催化剂中铱单原子的质量分数为1～1.5％。

优选的，所述羟基氧化钴纳米片，所述羟基氧化钴纳米片的尺寸为80～100nm。

本发明提供如上文所述的氧空位锚定的铱单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将三电极体系置于含有铱盐的碱性电解质溶液中，进行线性伏安扫描合成，得到铱单原子催化剂；

所述三电极体系中的工作电极为负载有羟基氧化钴纳米片的玻碳电极；所述线性伏安扫描的电压为1.1～1.8V。

优选的，所述碱性电解质溶液包括铱盐、氢氧化钾和水；所述铱盐为四氯化铱。

优选的，所述铱盐的质量、氢氧化钾的质量和水的体积之比为(0.03～0.04)mg：(55～57)mg：(0.9～1.0)mL。

优选的，所述线性伏安扫描合成的扫描速度为3～8mV/s；所述线性伏安扫描合成每次扫描的时间为63～167s；所述线性伏安扫描合成的扫描次数为3～5次。

优选的，在所述线性扫描合成中搅拌电解质溶液，所述搅拌的速率为1000～2000r/min。