[发明专利]催化剂及其应用

说明书

本申请公开了催化剂及其应用。本申请的第一方面，提供插层材料，该插层材料在二维层状锰氧化物的层间插有过渡金属氢氧化物主板层。根据本申请实施例的插层材料，至少具有如下有益效果：二维层状锰氧化物包括二维锰氧化物片层和层间的碱金属阳离子，其类似于光合作用系统Ⅱ中产氧活性中心的原子结构使其可能具有较高的产氧催化稳定性，然而该化合物的OER催化活性非常低。发明人将TM LDHs的过渡金属氢氧化物主板层作为插层插入到二维层状锰氧化物的二维锰氧化物片层的层间结构后意外地发现，形成的插层材料作为OER催化剂使用时，可以在高电流密度条件下保持良好的较高的产氧催化活性，同时具有良好的稳定性。

技术领域

本申请涉及电催化领域，尤其是涉及催化剂及其应用。

背景技术

传统能源的短缺以及环境问题的日益严峻，使得开发和利用可替代化石燃料的绿色能源成为全球关注的热点问题。氢能由于能量密度高，燃烧产物清洁无污染等优点，受到人们的广泛关注和研究。在众多制备方法中，电催化分解水制氢法能够大规模制备高纯度氢气，也是目前国际上认可的绿色氢能的唯一制备方法，其化学反应式为2H₂O→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(oxygen evolution reaction，OER)。反应动力学的限制使得需要提供高于理论分解电势的过电势来加速两极反应，造成严重的电能损失。因此，需要高效的催化剂来降低反应能垒进而提高水分解反应速度。相较于阴极产氢反应，OER反应的发生需要克服更大的能垒，所以OER催化剂的性能很大程度上决定了水分解制氢的效率。贵金属氧化物如氧化铱、氧化钌等具有良好的碱性产氧活性，然而稀缺的元素储量和高昂的价格限制了其大规模的应用。发展由非贵金属元素构成的高效廉价且易于制备的OER催化剂是提高电化学分解水制氢效率和降低成本的关键。

层状双羟基化合物(layereddoublehydroxides，LDHs)是一种由带正电荷的金属氢氧化物主板层与可交换的层间阴离子构成的二维层状化合物。其中，由具有活跃d电子从而具有催化活性的过渡元素如铁、镍、钴、锰、锌、钛等构成主板层的LDH称为过渡金属基层状双羟基化合物(transition metals based layered double hydroxides，TM LDHs)。相比于过渡金属氢氧化物，TM LDHs由于层间阴离子的存在而具有更开放的微观结构，在催化反应中，电解液及反应物的可及面积更大，因而具有明显提高的催化产氧效果。另外，通过减小TM LDHs材料的尺寸和厚度、在表面制备缺陷、制备多级复杂结构等方式都能够进一步增强TM LDHs的催化性能。因此，在目前已报道的非贵金属OER催化剂中，TM LDHs已经成为研发的一大热点。

然而随着进一步的研究发现，TM LDHs的高催化活性在高电流密度条件下并不明显而且稳定性不高，很难适用于工业电解水制氢。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种能够在高电流密度下保持高催化活性和稳定性的催化剂及其应用。

本申请的第一方面，提供插层材料，二维层状锰氧化物的层间插有过渡金属氢氧化物主板层。

根据本申请实施例的插层材料，至少具有如下有益效果：

二维层状锰氧化物(Birnessite型锰氧化物)的类似于光合作用系统Ⅱ中产氧活性中心(oxygen evolution cluster，OEC)的原子结构使其可能具有较高的产氧催化稳定性，然而该化合物的OER催化活性非常低。发明人以二维层状锰氧化物的二维锰氧化物片层作为层板主体，以TM LDHs的过渡金属氢氧化物主板层作为插层客体，形成的插层组装体具有的超分子结构使其兼具TM LDHs和Birnessite的许多优点，在将该插层材料作为OER催化剂使用时，可以在高电流密度条件下保持良好的较高的产氧催化活性，同时具有良好的稳定性。