[发明专利]一种凝胶状电催化剂、其制备及应用

说明书

本发明涉及一种凝胶状电催化剂、其制备及应用，属于析氧反应催化剂技术领域。所述电催化剂是由Mo元素、第四周期中的3d过渡金属元素和Fe元素组成的凝胶状物质；先将钼粉、水和过氧化氢配制成钼酸溶液，然后加入3d过渡金属元素对应的水溶性金属盐，再加入水溶性三价铁盐，之后静置反应使其凝胶化，最后清洗获得所述电催化剂。本发明所述的电催化剂可以直接涂附在不同维度基体材料的表面，具有良好的电催化OER反应性能，通用性强，具有很好的应用前景；而且采用溶胶‑凝胶法制备该电催化剂，操作简单，反应条件温和，成本低，可进行大规模制备。

技术领域

本发明涉及一种凝胶状电催化剂、其制备及应用，属于析氧反应催化剂技术领域。

背景技术

进入21世纪以来，化石燃料等不可再生能源在全球范围内被大量消耗，并且所引发出的一系列环境问题也愈发严重。现如今，通过电催化全解水技术来大规模制备高纯度的氢气(H₂)和氧气(O₂)，被广泛认为是缓解能源危机与环境污染问题的重要途径之一。然而，该技术中的两个半反应：析氢反应(HER)和析氧反应(OER)都决定着全解水技术的反应速率。与HER相比，OER因其反应的四电子转移过程，导致其反应速率更低，反应能垒更大，所需的过电势更高等问题。因此，开发一种高效、稳定的OER催化剂，将会提高全解水技术的整体效率。

目前工业化的OER催化剂主要依赖Ru、Ir等贵金属及其氧化物，其价格高昂、存储量小等因素制约着电解水技术的广泛普及应用。近年来，3d过渡金属元素及其化合物因其价格低廉、性能良好等特点被认为是一种稳定的贵金属催化剂的替代品。近期的研究发现，基于Fe、Co以及Ni等元素的多元金属氧化物的OER性能展现出更高的水平。多元氧化物通过引入额外的元素来改善并影响整个催化剂的电子结构，同时影响中间物种的吸附能，从而使OER的活性往往优于相应的单金属氧化物。然而，人们广泛设计与制备的过渡金属催化剂均以固体粉末颗粒为主，在实际应用时，大多数的环境并不能满足工业化的条件，从而严重限制了OER催化剂在实际应用中的场景选择。因此，开发一种可以在更多环境中直接使用的OER催化剂具有十分重要的意义以及应用价值。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种凝胶状电催化剂、其制备及应用，该电催化剂由Mo元素、第四周期中的3d过渡金属元素和Fe元素组成，可以直接涂附在不同维度基体材料的表面，具有良好的电催化OER反应性能，通用性强，具有很好的应用前景；另外，采用溶胶-凝胶法制备该电催化剂，操作简单，反应条件温和，成本低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种凝胶状电催化剂，所述电催化剂是由Mo元素、第四周期中的3d过渡金属元素和Fe元素组成的凝胶状物质；

其中，Mo元素、3d过渡金属元素和Fe元素的摩尔比为1:(0.5-4):1。

3d过渡金属元素可以是一种元素，也可以是两种及以上元素；优选3d过渡金属元素为Co元素、Mn元素、Ni元素和Cr元素中的至少一种；更优选3d过渡金属元素为Co元素、Mn元素或Ni元素。

本发明所述凝胶状电催化剂的制备方法，具体制备步骤如下：

(1)将钼粉加入水中，并加入过氧化氢水溶液，搅拌反应使钼粉完全溶解，得到钼酸溶液；

(2)向步骤(1)配制的钼酸溶液中加入3d过渡金属元素对应的水溶性金属盐，搅拌混合均匀；再加入水溶性三价铁盐，搅拌混合均匀，得到前驱体溶液；

(3)将步骤(2)获得的前驱体溶液静置反应不少于12h，使其充分凝胶化，然后用水清洗并除去清洗后的上清液，得到所述凝胶状电催化剂。

步骤(2)中，优选水溶性金属盐为水溶性金属氯化物；优选水溶性三价铁盐为三氯化铁。