[发明专利]配体活化的过渡金属层状双羟基化合物、制备方法及用途

说明书

本发明涉及新能源技术和电催化材料技术领域，公开了一种配体活化的过渡金属层状双羟基化合物(TM LDH)的制备方法。该制备方法用硼氢化钠对TM LDH的羟基配体进行活化，成为氢负离子活化的TM LDH，还可用Clsupgt;‑/supgt;负离子、Brsupgt;‑/supgt;负离子、Isupgt;‑/supgt;负离子、含N负离子、含P负离子或含S负离子中的一种或者多种的组合进行进一步活化。本发明还公开了所制得的配体活化的TM LDH及其应用，以及包含该配体活化的TM LDH作为催化剂的水分解阳极和水分解三电极体系。该水分解阳极应用于电分解水，与传统泡沫镍电极相比，表现出较低的过电位以及塔菲尔斜率，大大提高分解水的能力，降低水分解制氢的成本。

技术领域

本发明涉及新能源技术和电催化材料技术领域，具体涉及一种配体活化的过渡金属层状双羟基化合物的制备方法，所制得的配体活化的过渡金属层状双羟基化合物及其用途，以及包含该配体活化的过渡金属层状双羟基化合物的水分解阳极和水分解三电极体系。

背景技术

全球能源短缺与环境污染问题的加剧，使得人们对清洁可再生能源的需求越来越迫切。氢气具有高的能量密度及燃烧产物无污染等优点，被认为是最理想的可代替化石燃料的绿色能源之一。目前制备氢气的方法主要有天然气蒸汽转化制氢、甲醇裂解制氢和水分解制氢。其中天然气蒸汽转化制氢和甲醇裂解制氢需要使用天然气或甲醇燃料为原料，更重要的是产物中除了氢气，还存在较多的杂质，如二氧化碳、一氧化碳、甲烷等。而水分解制氢具有效率高、过程简单、反应产物纯度高的优点。我国首个氢能领域团体标准《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》(T/CECA-G 0015-2017)对氢气的纯度有严格的要求，其体积分数需大于等于99.99%，而此纯度的氢气只能通过水分解制备。

水分解制氢是通过电或光将水分解而制备氢气，化学反应式为2H₂0→2H₂+O₂。该反应过程包括阴极产氢反应(hydrogen evolution reaction, HER)和阳极产氧反应(oxygenevolution reaction, OER)。阳极产氧反应的反应动力学十分缓慢，极大地限制了水分解制氢的进程。这造成目前电解水制氢价格高于天然气蒸汽转化制氢和甲醇裂解制氢价格。因此，开发高效廉价的水分解催化剂，降低OER反应能垒，减少水分解制氢所需能耗，对于大规模制备高纯氢气和开发新能源，推动氢能汽车等领域的发展，缓解环境污染是至关重要的。

层状双羟基化合物(layered double hydroxide, LDH)由金属离子与羟基配体形成的带正电荷的主板层及作为电荷补偿的层间阴离子构成，其中主板层中金属离子种类和摩尔比在一定范围内可调，层间阴离子可通过离子交换改变。过渡金属层状双羟基化合物(transition metal-based layered double hydroxide, TM LDH)是主板层中金属离子为过渡金属离子的LDH。近几年，TM LDH在水分解制氢领域的应用取得了长足的发展。TM LDH的催化产氧活性和稳定性接近贵金属产氧催化剂氧化铱(IrO₂)和氧化钌(RuO₂)。而地球上的非贵金属如过渡金属储量丰富，使得非贵金属水分解催化剂如TM LDH相比贵金属催化剂有更大的应用潜力。