[发明专利]具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学催化剂制备技术领域，涉及具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂的制备方法和应用，所述制备方法包括：通过热处理得到金属氧化物纳米片，将金属氧化物纳米片加入还原剂溶液中，进行水热反应，获得异质结构催化剂。该方法制备的电催化剂具有丰富的晶格限域的界面位点，有利于实现氢吸附和羟基吸附能之间的最佳平衡，极大地提高HOR电化学催化活性和稳定性。

技术领域

本发明属于电化学催化剂制备技术领域，涉及具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂的制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

燃料电池作为一种清洁、可再生的高效能源，可以有效缓解能源危机和环境污染问题。碱性交换膜燃料电池(AEMFC)中阴极的氧还原反应(ORR)可以采用具有与Pt类似活性和稳定性的非贵重电催化剂，因此受到了人们广泛的关注。然而，其阳极的氢气氧化反应(HOR)在碱性介质中具有非常缓慢的反应动力学。因此，制备用于碱性电解质的高效HOR电催化剂变得至关重要。

目前，铂(Pt)基催化剂仍是用于HOR高效电催化剂的主要材料。但是，其昂贵的价格限制了Pt基催化剂的广泛应用。价格相对便宜的金属钌(Ru)可以替代Pt基催化剂实现高效催化性能，但比Pt具有更强的亲氧性。因此，Ru在相对低的阳极电压下通常表现出较好的HOR电催化性能，这归因于在较低的阳极电位下，在Ru表面会优先形成OH_ad和H_ad中间体。但是，金属钌(Ru)、铱(Ir)等很容易被氧化，在较高的阳极电位范围内很难保持纯金属的表面，这将阻止催化剂的表面与H_ad中间体结合，进而导致其HOR活性和稳定性迅速降低。

提高Ru基材料的催化性能主要包括两种的设计策略：一是将Ru与具有适度H结合强度的金属(例如，Pt，Pd)进行合金化，通过在Ru和引入金属的表面形成OH_ad和H_ad中间体，进而促进HOR活性。二是抑制金属Ru的氧化。将Ru纳米颗粒限制在具有孔状结构的碳材料或载体的晶格中(例如TiO₂)，通过阻止金属与空气接触或通过其与载体之间的电子转移来有效地抑制金属Ru氧化。但是，这些方法制备的HOR电催化剂的催化活性仍然较差，在电化学反应过程中，活性物质容易脱落或者失活从而降低其活性和稳定性。因此，如何制备一种具有更高催化活性和稳定性的HOR电催化剂成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂的制备方法和应用，该电催化剂具有丰富的界面活性位点，有利于实现氢吸附和羟基吸附能之间的最佳平衡，极大地提高HOR电化学催化活性和稳定性。

具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

在本发明的第一方面，具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂的制备方法，包括：通过热处理得到金属氧化物纳米片，将金属氧化物纳米片加入还原剂溶液中，进行水热反应，获得异质结构催化剂。

在本发明的第二方面，具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂，采用任一所述的具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂的制备方法制备而得。

在本发明的第三方面，一种氢气氧化反应用电催化剂，为上述的具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂。

在本发明的第四方面，一种电极，所述电极的活性物质为上述的具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂。

在本发明的第五方面，上述具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂的制备方法和/或上述的具有丰富界面活性位点的异质结构催化剂和/或上述的氢氧化反应用电催化剂和/或上述的电极在燃料电池反应中的应用。

本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：