[发明专利]一种高效氧析出高熵非晶氧化物纳米催化剂及其制备方法和应用

说明书

一种高效氧析出高熵非晶氧化物纳米催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂技术领域，本发明方法结合温和的低温液相还原方法拓展非平衡合成策略，利用过量的硼氢化钠溶于多元醇构建一个极端的还原性环境，将多达十种的金属盐前体快速还原为高熵非晶氧化物纳米颗粒，为纳米高熵氧化物合成领域提供了一种新的制备工艺。采用本发明方法制备出的高熵非晶氧化物有高熵的鸡尾酒效应以及无定型的结构，改善了氧化物表面与氧中间体之间的相互作用，并且提供大量的活性位点，大大提高了催化活性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种高效氧析出高熵非晶氧化物纳米催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

电力驱动的水分解中包括两个半反应，阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)。与HER相比，涉及四电子转移的OER动力学更慢，每一个电子转移都需要高过电位来克服高动能势垒，因此，OER是控制电化学水分解整体效率的关键过程。目前Ru、Ir及其氧化物是最先进的OER催化剂，但是稀缺性和高成本限制其广泛应用，并且在高阳极电位下，RuO₂在酸性和碱性电解质中非常不稳定，IrO₂也存在类似的稳定性问题，故设计和制备丰富的过渡金属基电催化剂非常重要。

高熵氧化物是包含五种及以上元素种类的单相固溶体，并且具有熵驱动相稳定的特性，与传统氧化物相比，熵、焓和多种阳离子相互作用共同产生的协同效应展现出了强大的优势，并且多种阳离子的存在使得电子结构的调控更加灵活，一些高熵氧化物的带隙能量与单元素驱动的效应类似，但是却展现了更加优良的性能，使得高熵氧化物的活性进一步提升。值得注意的是，与相对应的晶态物质相比，具有短程有序长程无序的非晶材料表现出了更好的OER电催化活性，逐步被科研工作者认识。非晶材料优势主要体现在三个方面：第一，非晶材料拥有大量不饱和配位点，可以提供更多的活性位点；第二，非晶材料大量随机取向的键使得结构更加灵活；第三，非晶材料可以在很宽的范围内调节电子结构。这些优势助力高熵氧化物，使得高熵氧化物展现出优异的活性。

目前报道的高熵氧化物的合成方法：喷雾热解、溶胶-凝胶燃烧、固相合成法、湿化学法、共沉淀法等，方法虽然众多，然而这些合成方法往往条件苛刻且组分可拓展性差，因此开发工艺简单、成本低廉且批量制备高熵氧化物非晶纳米颗粒的新工艺势在必行。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种高效氧析出高熵非晶氧化物纳米催化剂及其制备方法和应用。本发明方法结合温和的低温液相还原方法拓展非平衡合成策略，利用过量的硼氢化钠溶于多元醇构建一个极端的还原性环境，将多达十种的金属盐前体快速还原为高熵非晶氧化物纳米颗粒，为纳米高熵氧化物合成领域提供了一种新的制备工艺。采用本发明方法制备出的高熵非晶氧化物有高熵的鸡尾酒效应以及无定型(非晶)的结构，改善了氧化物表面与氧中间体之间的相互作用，并且提供大量的活性位点，大大提高了催化活性。

本发明的技术方案为：

一种高效氧析出高熵非晶氧化物纳米催化剂，所述催化剂中元素由Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Sn、Sb、Cr、Ru、Ir以及B、O组成，其中金属元素可由Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Sn、Sb、Cr、Ru、Ir中的任意五种或五种以上元素组成，每个金属原子的原子浓度在5～60％之间，该催化剂具有非晶结构；其粒度为5～30nm。

本发明还提供一种上述高效氧析出高熵非晶氧化物纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，溶液前体的配置：

(1)金属盐前驱体的配置：从Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Sn、Sb、Cr、Ru、Ir中选取五种或五种以上元素，每个金属原子的原子浓度在5～60％之间，称取所选元素对应的金属盐，将金属盐全部溶于多元醇中，在室温下搅拌至溶液完全澄清且均匀，获得溶液A；

(2)还原剂溶液的配置：将聚乙烯吡咯烷酮溶于多元醇，超声得到澄清透明的溶液，将该溶液在冰水浴中冷冻后，加入NaBH₄，搅拌获得澄清的溶液，记做溶液B；