[发明专利]一种负载型催化剂及其制备方法、应用

说明书

本发明涉及一种负载型催化剂及其制备方法、应用，属于负载型催化剂技术领域。本发明的负载型催化剂的制备方法，包括以下步骤：提供载体和催化剂前驱体在溶剂中的混合分散液；将混合分散液采用等离子体进行照射，即得；所述溶剂包括氧源溶剂和水，所述氧源溶剂为醇类化合物；所述催化剂前驱体为可溶于水的过渡金属元素化合物。本发明的负载型催化剂的制备方法，简化了负载型催化剂的制备方法；并且减小了沉积在载体表面的催化剂晶粒的尺寸，提高了催化剂在载体表面分散的均匀程度，提高了负载型催化剂的电催化性能。

技术领域

本发明涉及一种负载型催化剂及其制备方法、应用，属于负载型催化剂技术领域。

背景技术

随着能源和化石燃料消费需求的不断增长，制定高能源利用创新战略，寻求环保，可再生能源和清洁能源迫在眉睫。在开发能源的许多潜在技术中，氢气由于它的清洁，丰富和可再生性能，被认为是取代化石燃料的最重要候选者之一。在生产氢气的方法中，如电解水，电催化水分解和光催化水分解。对于电催化反应来说，析氢反应(HER)和氧还原反应(OER)在有前途的清洁能源技术如金属-空气电池，燃料电池和水分离装置等方面已经取得了越来越重要的意义。然而，HER和OER的动力学迟缓严重制约了清洁能源技术的发展。因此，通过使HER的超电势最小化，制造能够增强催化效率的活性电催化剂是非常需要的。为了提高能量转换装置的电化学性能，尤其是燃料电池和金属-空气电池的电化学性能，开发具有高电催化性能的低成本非贵金属双功能电催化剂，对HER和OER来说都是至关重要的。目前，贵金属电催化剂，如铂(Pt)，钌(Ru)，铑(Rh)，铱(Ir)和钯(Pd)是最有名的HER和OER电催化剂。其中，铂基电催化剂由于其优越的物理化学性能和高效的催化能力，被认为是最好的候选者。然而，由于成本高，动力学固有的缓慢特性和活性下降的原因，基于Pt的电催化剂的广泛应用还没有被充分地探索。因此，寻找高效低成本的铂基双功能电催化剂对于HER和OER来说是必不可少的。为了克服这些缺点，合成双金属铂基催化剂是最可行的方法之一。例如，将PtPd合金嵌入富氮石墨烯纳米孔中，制作用于HER和OER的高效双功能电催化剂。Au/Pd合金双金属纳米粒子在微波辐照碳陶瓷电极上对析氢反应具有较高的电催化活性。通常，可得到的催化剂对于酸性溶液中的HER或碱性溶液中的OER是有效的。但是由于这些催化剂的稳定性和活性在宽pH范围内不匹配，将两个电极反应配对在一个集成的电解槽中用于实际应用仍面临挑战，特别是碱性条件下水电解作为最成熟的氢气生产技术之一，可以通过适度的能量输入提供高纯度的氢气(接近100％)，近年来得到了广泛的应用。因此，开发在碱性溶液中对OER和HER具有高活性的双功能电催化剂以实现碱性水电解是非常需要的。

尽管如此，由于常规法制备贵金属纳米粒子过程中加入了稳定剂，存在了一些缺点，如老化时间长，还原时间长，有机溶剂在某些工艺中的参与，使得必须在最后阶段除去稳定剂，复杂分子前体的制备以及化学还原剂的使用。显然，在贵金属合成过程中探索克服这些缺点的新方法是非常有趣的。溶液等离子体(SP)是一种通常在室温条件下和液体环境如水溶液或有机化合物中产生大气压非平衡等离子体的新的放电过程。SP是一个合成包括Au NPs，PdCu，Mn₃O₄催化剂，FeO_x-高岭石纳米复合材料和Pd/PdO纳米粒子在内的纳米粒子(NPs)的非常方便的方法。这表明Pd/PdO和Pt/GNs/TiO₂(GNs，石墨烯纳米片)催化剂表现出促进甲醇氧化的催化活性。但是，到目前为止，这些由SP方法制备的催化剂的催化机理及其在催化领域的应用，尤其是在水分解的电催化剂开发方面还没有得到充分的利用。

此外，为了避免纳米粒子的聚集和催化活性的降低，开发新型碳载体以促进催化剂的电化学性能也引起了越来越多的关注。碳纳米管(CNTs)，碳纳米纤维(CNFs)，碳纳米线圈，有序介孔碳(OMCs)和石墨烯等碳材料具有顺序结构和高导电性，可以显着提高Pt基催化剂的性能。