[发明专利]一种超高催化活性的单原子Pt负载氧化钨单层纳米片催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种超高催化活性的单原子Pt负载氧化钨单层纳米片催化剂及其制备方法与应用。本发明催化剂的制备方法如下：钨酸根或偏钨酸根阴离子插层LDHs复合物的制备；钨酸根或偏钨酸根阴离子插层LDHs复合物经煅烧得WO₃/MMO复合物；然后经酸溶得WO₃·H₂O单层纳米片；WO₃·H₂O单层纳米片充分分散于水中，逐滴加入氯铂酸，充分吸附后，经过滤、洗涤、干燥、还原气氛下还原得到催化剂。本发明所得催化剂为单原子Pt充分有效的分散在单层氧化钨纳米片表面，能够充分发挥单原子Pt的效率；所得催化剂中Pt在负载量极低的条件下即具有超高的催化活性以及长时间的使用稳定性。

技术领域

本发明涉及一种超高催化活性的单原子Pt负载氧化钨单层纳米片催化剂及其制备方法与应用，属于纳米材料制备领域。

背景技术

电催化反应中，析氢反应(HER)是电催化分解水的重要半反应，是产氢的方法之一，相比传统化石燃料产氢方法有着绿色无污染和可持续开发的优势，是目前除了蒸汽重整产氢以外最主要的产氢方法。贵金属铂(Pt)及其合金因其具有良好的催化活性，是当前HER最常见的电催化剂之一。由于Pt资源稀缺、价格昂贵及其在众多催化反应中的不可替代性，提高贵金属催化剂的利用率一直是催化领域的重要研究方向之一。将贵金属组分以单原子形式分散在载体上制得的单原子催化剂是提高贵金属利用率的重要策略。商业Pt/C催化剂中，由于Pt是以纳米颗粒的形式负载在碳基体上，因此其实际起催化活性的原子只有Pt颗粒的表面原子，存在Pt原子利用效率低下的弊端。

过渡金属氧化物在光催化剂、电催化剂、储能材料以及降解污染物等领域具有巨大的应用潜力。二维氧化物(WO₃)材料由于其比表面积大，表面缺陷丰富，暴露活性位点多，有利于氢原子吸附且其在酸性电解质中具有强的稳定性，同时与贵金属Pt存在强相互作用等，作为贵金属催化剂载体而受到广泛关注。

现有技术中已有合成WO₃/Pt纳米复合材料的方法，包括化学气相沉积法、原子层沉积法、水热法、溶剂热法以及电沉积法。但这些方法都存在一定的问题，如：化学气相沉积法虽然可以得到纯度高的薄膜镀层，但是其工作温度高，并且要求专业的设备，导致成本增加，同时产率低；原子层沉积法虽然可以控制到单原子层的沉积，但是需要专业的仪器，步骤繁琐；水热法和溶剂热法相似，得到的为WO₃块体，比表面积小，无法实现Pt的有效分散；电沉积法虽然可以实现Pt原子的有效分散，但无法实现催化剂大规模制备。另外，以上方法制备的催化剂均无法实现Pt的有效分散，且制备的WO₃缺陷少、比表面积小；所得复合材料的催化性能低，无法充分发挥单原子Pt的效率；另外所得复合材料结构不稳定，无法实现长时间使用，在催化过程中不稳定的结构容易造成Pt原子团聚，致使催化性能大幅度降低。因此开发一种能够实现单原子Pt负载WO₃单层纳米片，提高单原子Pt利用效率，制备一种超高效率且稳定的过渡金属电催化剂仍然是当今的挑战性课题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种超高催化活性的单原子Pt负载氧化钨单层纳米片催化剂及其制备方法与应用。本发明制备方法操作简单、环境友好、易于实现和工业化、成本低、收率高；所得催化剂为单原子Pt充分有效地分散在单层氧化钨纳米片表面，比表面积大，拥有大量的活性位点，能够充分发挥单原子Pt的效率；所得催化剂中Pt在负载量极低的条件下(负载量约为商业Pt/C(20wt％)的1wt％)，即能够实现超越商用Pt/C(Pt含量为20wt％)的HER性能，其质量催化活性较商用Pt/C提高了160倍(现有Pt基催化剂的质量催化活性最高为商用Pt/C(Pt含量为20wt％)的40倍)；本发明所得催化剂中单原子Pt的高度分散以及稳定的结构，既保证了超高的催化活性以及长时间的使用稳定性、又解决了当前Pt基催化剂利用率低的难题。

术语说明：