[发明专利]一种电催化制备过氧化氢的单原子催化剂、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种电催化制备过氧化氢的单原子催化剂、制备方法及其应用，属于电催化技术领域。所述的单原子催化剂由载体和过渡金属组成，所述的载体为掺氮多孔碳，所述的过渡金属为Cu、Co、Fe、Mn中的一种或者多种，所述的过渡金属以单原子的形式固定在载体的表面。本发明的单原子催化剂具有高活性、高稳定性，在酸性ORR中有最佳活性和选择性，电流和选择性皆可稳定在10h以上，能够积累3500ppm以上的Hsubgt;2/subgt;Osubgt;2/subgt;在很宽的电压范围内选择性超过91％，对应到550mmol gsupgt;‑1/supgt;hsupgt;‑1/supgt;的Hsubgt;2/subgt;Osubgt;2/subgt;生成速率。利用本发明的单原子催化剂制成的电催化装置可广泛应用在废水处理中，具有显著的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种电催化制备过氧化氢的单原子催化剂、制备方法及其应用。

背景技术

过氧化氢是一种重要的无机化工产品，被广泛应用于纺织、造纸、军工、医药、食品加工和环境保护等领域。过氧化氢的分解产物是氧气和水，对环境无二次污染，属于绿色化学品，目前全球H₂O₂的年利用率约为400万吨，在未来有很大的希望继续增长。

现有生产过氧化氢的主要方法是蒽醌法，蒽醌法虽然有产品成本低和耗能低的优点，但是在大规模生产中有较大的安全隐患，因为其镍系催化剂和使用的氢气都属于易燃易爆物；而使用的钯系催化剂，容易结块和粉碎，在生产过程中必须严格的控制，否则很大程度上影响钯系催化剂的功效。所以这些非分布式生产，高能量消耗，大量有机副产品的浪费和需要将得到的H₂O₂输送到使用点等缺点需要从制备方法上改善。

针对上述缺点，一个有希望的替代途径是通过O₂的二电子还原(2e-ORR)现场制备H₂O₂(方程式(1))。该过程可与析氧反应(OER)(方程式(2))耦合，在电解装置中利用空气、水和可再生能源生产H₂O₂(方程式(3))。

O₂+2e^-+2H+→H₂O₂E_red＝0.695V versus RHE     (1)

2H₂O^-+O₂+4H⁺+4e^-E_red＝1.229V versus RHE    (2)

电催化氧化还原反应(ORR)生成H₂O₂的方法是以空气中的氧气和水作为唯一的原料，在常温常压的温和条件下，O₂在阴极被选择性地电化学还原为H₂O₂。只要有电有水有空气的地方，可以直接生产使用，不会产生有害的副产品或废气流；通过一个双电子(2e^-)途径提供了一个经济、安全、和环保的H₂O₂路线。过氧化氢生产安全隐患低，生产流程中绿色环保，生产工艺简单，还可调节过氧化氢的浓度等优点。但是，实际过程是具有挑战性的，由于许多电极材料更倾向于竞争四电子(4e^-)ORR而不是(2e^-)ORR，从而降低了H₂O₂的产率。因此，发现对H₂O₂具有高选择性的ORR电催化剂具有重要意义。

目前广泛使用的负载型过渡金属的催化剂尺寸通常在纳米级，由于吸附和催化过程主要发生在催化剂的表面，而纳米级颗粒的表面原子仅占总原子数很少的一部分，导致催化剂利用率较低。