电化学催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及化学，尤其涉及电化学催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电解水制氢技术中，具有较高电流密度和能量转换效率的酸性电解水技术倍受青睐，但其发展受到析氧电极活性差、稳定性弱的制约。此外，在强氧化电位和酸性腐蚀性环境中，催化剂易从电极上溶解和脱落，导致其活性和稳定性显著降低，限制了其长期使用。同样以氢为燃料的质子交换膜燃料电池中位于阴极的pt纳米颗粒在反应中往往会因团聚或在酸性水溶液溶解而发生严重的结构破坏，进一步影响反应效率。因此，设计和开发可实现高活性以及长期稳定性的优异催化剂对电解水和燃料电池技术的大规模推广至关重要。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种电化学催化剂，电化学催化剂可以在强电化学腐蚀和化学腐蚀环境中，实现大电流密度以及超长期稳定性，可将其应用于酸性电解水阳极和/或燃料电池阴极材料。

2、在本发明的一个方面，本发明提供了一种电化学催化剂，电化学催化剂包括：

3、耐酸载体，所述耐酸载体包括掺杂有过渡金属单原子的金属氧化物；

4、贵金属，所述贵金属负载在所述耐酸载体的至少部分表面，所述贵金属包括贵金属氧化物和/或贵金属单质；

5、其中，所述金属氧化物包括in2o3、fe3o4、co3o4和mno2中的至少一种，所述过渡金属单原子包括mn、fe、co、ni、cu和zn中的至少一种。

6、进一步地，基于所述耐酸载体的总质量，所述过渡金属单原子的含量为大于0小于等于5wt％。

7、进一步地，所述贵金属氧化物包括iro2和/或ruo2，贵金属单质包括pt。

8、进一步地，基于所述电化学催化剂的总质量，所述贵金属的含量为大于0小于等于30wt％。

9、进一步地，所述贵金属的尺寸为2～3nm。

10、在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的电化学催化剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

11、在金属氧化物中掺杂过渡金属单原子，得到耐酸载体；

12、在所述耐酸载体的至少部分表面负载贵金属，得到所述电化学催化剂；

13、其中，所述贵金属包括贵金属氧化物和/或贵金属单质，所述金属氧化物包括in2o3、fe3o4、co3o4和mno2中的至少一种，所述过渡金属单原子包括mn、fe、co、ni、cu和zn中的至少一种。

14、进一步地，上述制备方法包括以下步骤：

15、将第一金属盐均匀分散至溶剂中，向所得溶液中添加第二金属盐后进行水热反应；

16、第一焙烧所述水热反应后得到的产物，得到所述耐酸载体；

17、将所述耐酸载体和贵金属盐分散至有机溶剂中，得到混合溶液；

18、蒸干所述混合溶液，得到所述电化学催化剂，

19、其中，所述第一金属盐中的金属与所述金属氧化物中的金属对应，所述第二金属盐中的金属与过渡金属单原子中的金属对应。

20、进一步地，对蒸干所述混合溶液得到的固体产物进行第二焙烧，得到所述电化学催化剂。

21、进一步地，所述第一金属盐包括金属氯化盐，金属硫酸盐，金属硝酸盐和金属有机盐中的至少一种；

22、所述贵金属盐包括铂盐、钌盐和铱盐中的至少一种；

23、所述的水热反应的温度为90～180℃，时间为0～24h；

24、所述第一焙烧的温度为400～500℃，时间为1～3h；

25、所述第二焙烧的温度为350～450℃，时间为1～3h。

26、在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的电化学催化剂在电解水和/或燃料电池中的应用。

27、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

28、本发明通过将过渡金属单原子掺杂在金属氧化物上，大幅度地提高了金属氧化物的耐酸腐蚀性。同时由于贵金属氧化物、过渡金属单质与金属氧化物的相互作用，部分电子会从载体转移到贵金属氧化物表面，导致贵金属氧化物带有一定量的负电，从而优化了电化学催化剂内部电子结构，降低了氧催化反应的过电势且在酸性介质中具有优异的耐腐蚀性，使得电化学催化剂具有优异的氧催化活性和稳定性。另外，本发明电化学催化剂中贵金属含量可控，且贵金属含量较低，在载体表面上分布均匀，使其活性位点充分暴露。将本发明的电化学催化剂用于酸性电解水阳极和燃料电池中阴极电极材料，可以提高酸性电解水、燃料电池的催化活性并且具有长期的稳定性。而且本发明的电化学催化剂成本低于商业催化剂，适于大规模生产和应用。

29、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种电化学催化剂，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的电化学催化剂，其特征在于，基于所述耐酸载体的总质量，所述过渡金属单原子的含量为大于0小于等于5wt％。

3.根据权利要求1所述的电化学催化剂，其特征在于，所述贵金属氧化物包括iro2和/或ruo2，贵金属单质包括pt。

4.根据权利要求1所述的电化学催化剂，其特征在于，基于所述电化学催化剂的总质量，所述贵金属的含量为大于0小于等于30wt％。

5.根据权利要求1～4任一项所述的电化学催化剂，其特征在于，所述贵金属的尺寸为2～3nm。

6.一种权利要求1～5任一项所述的电化学催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，对蒸干所述混合溶液得到的固体产物进行第二焙烧，得到所述电化学催化剂。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一金属盐包括金属氯化盐，金属硫酸盐，金属硝酸盐和金属有机盐中的至少一种；

10.一种权利要求1～5任一项所述的电化学催化剂在电解水和/或燃料电池中的应用。

技术总结本发明涉及化学技术领域，尤其涉及电化学催化剂及其制备方法和应用。电化学催化剂包括：耐酸载体，所述耐酸载体包括掺杂有过渡金属单原子的金属氧化物；贵金属，所述贵金属负载在所述耐酸载体的至少部分表面，所述贵金属包括贵金属氧化物和/或贵金属单质；其中，所述金属氧化物包括In<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;、Co<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;和MnO<subgt;2</subgt;中的至少一种，所述过渡金属单原子包括Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn中的至少一种。电化学催化剂可以在强电化学腐蚀和化学腐蚀环境中，实现大电流密度以及超长期稳定性，可将其应用于酸性电解水阳极和/或燃料电池阴极材料。技术研发人员：邹吉军,潘伦,刘凡,黄振峰,高睿杰,史成香受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17