一种稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂及其制备和应用

本发明涉及催化剂，具体涉及一种稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂及其制备与应用。

背景技术：

1、目前，在酸性电解水技术中使用的催化剂主要是贵金属ir或者ru氧化物，但其价格昂贵和稀缺性长期以来一直在努力寻找非贵金属的替代品。其中，co氧化物在这方面表现出巨大潜力，但是由于co3o4的活性和稳定性不佳。因此，有必要开发一种非贵金属酸性析氧反应(oer)催化剂，在相对更低的成本下实现较好的酸性oer活性和稳定性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂及其制备与应用。本发明的催化剂不含贵金属组分，成本降低，且该催化剂稳定性好，析氧反应催化活性高。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂，为碱土金属和稀土金属掺杂的钴基氧化物催化剂；

4、所述钴基催化剂为尖晶石结构，其中，碱土金属占总金属原子摩尔比的1～20％，稀土金属占总金属原子摩尔比的1～20％，钴占总金属原子摩尔比的60～98％；所述总金属原子是指碱土金属、稀土金属和钴；

5、所述碱土金属为ca、sr、ba；所述稀土金属为la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、y。

6、优选地，碱土金属占总金属原子摩尔比的5～15％，稀土金属占总金属原子摩尔比的5～15％，钴占总金属原子摩尔比的70-90％。

7、更优选地，碱土金属占总金属原子摩尔比的9～11％，稀土金属占总金属原子摩尔比的9～11％，钴占总金属原子摩尔比的78～82％。

8、本发明采用la和sr共掺杂钴基氧化物(即碱土金属为sr，稀土金属为la时)，所获得催化剂具有较好的效果。

9、本发明中，通过稀土和碱土金属的掺杂改善了钴的电子结构和配位环境，从而提升了催化性能。

10、本发明中，所述钴基氧化物纳米粒子的粒径为5nm～2μm。

11、所述稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂的制备方法，其特征在于：

12、1)采用水或硝酸将稀土金属、碱土金属和钴的前驱体配成混合溶液；

13、2)通过滴涂法将前驱体溶液涂覆到基底上，热解，热处理，继续涂覆前驱体溶液到基底上，热解，热处理，重复操作，基底上获得掺杂的钴基催化剂；

14、所述热解各自的温度为200～350℃，时间为2～10min；

15、所述热处理各自的温度为200～700℃，时间为10～30min。

16、优选地，所述热解各自的温度为250～350℃，时间为2～10min；

17、优选地，所述热处理各自的温度为600～700℃。

18、所述稀土金属的前驱体为稀土金属的硝酸盐、稀土金属的碳酸盐、稀土金属的乙酸盐、稀土金属的乙酰丙酮盐；所述稀土金属的硝酸盐为硝酸镧、硝酸铈、硝酸镨、硝酸钕、硝酸钐、硝酸铕、硝酸钆、硝酸铽、硝酸镝、硝酸钬、硝酸铒、硝酸铥、硝酸镱、硝酸镥、硝酸钇中的一种，以此类推稀土金属的碳酸盐、乙酸盐和乙酰丙酮盐。

19、所述碱土金属的前驱体为碱土金属的硝酸盐、碱土金属的乙酸盐、碱土金属的乙酰丙酮盐；所述碱土金属的硝酸盐为硝酸钙，硝酸锶和硝酸钡的一种，以此类推碱土金属的碳酸盐、乙酸盐和乙酰丙酮盐；

20、所述钴源为硝酸钴、碳酸钴、乙酸钴和乙酰丙酮钴中的一种；

21、所述基底为氟掺杂氧化锡、氧化铟锡、碳纸、碳布、泡沫镍和pt/ti(可以从苏州晟尔诺科技有限公司购买)中的一种。

22、所述热解在热板上进行，所述热处理在马弗炉中进行。

23、重复操作的次数为0～3次。

24、本发明使用快速热解的方法合成钴基催化剂，合成过程简单；本发明制备过程中，通过滴涂法分多次将前驱体溶液涂覆到基地上，可以使催化剂与基底保持更好的粘附性。

25、所述混合溶液的总离子浓度为0.5～5mol l-1，优选为2.5mol l-1。

26、所述前驱体溶液分多次涂覆到基底上的量相同；

27、所述前驱体溶液每次涂覆的量为5～20μl/0.28cm2。

28、最后热处理完成后自然冷却到室温。

29、本发明的催化剂用于酸性析氧反应中。

30、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

31、本发明提供的稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂中稀土和碱土金属的掺杂提升了催化性能。

技术特征：

1.一种稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂，其特征在于：为碱土金属和稀土金属掺杂的钴基氧化物催化剂；

2.根据权利要求1所述稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂，其特征在于：

3.根据权利要求2所述稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂，其特征在于：

4.根据权利要求1所述稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂，其特征在于：

5.根据权利要求1～4任一项所述稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂的制备方法，其特征在于：所述热解各自的温度为250～350℃，时间为2～10min；

7.根据权利要求5所述稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂的制备方法，其特征在于：

8.根据权利要求5所述稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂的制备方法，其特征在于：所述混合溶液的总离子浓度为0.5～5mol l-1；重复操作的次数为0～3次，前驱体溶液每次涂覆的量相同；

9.根据权利要求1～4任一项所述稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂在析氧反应中的应用。

技术总结本发明属于酸性析氧催化剂技术领域，公开一种稀土和碱土金属掺杂的钴基催化剂及其制备和应用。所述钴基催化剂为碱土金属和稀土金属掺杂的钴基氧化物催化剂；所述钴基催化剂为尖晶石结构，其中，碱土金属占总金属原子摩尔比的1～20％，稀土金属占总金属原子摩尔比的1～20％，钴占总金属原子摩尔比的60～98％。本发明还公开了催化剂的制备方法。本发明通过稀土和碱土金属的掺杂增强了催化剂的催化活性和稳定性提升。本发明的催化剂析氧性能好，且具有优异的稳定性。本发明的催化剂用于酸性析氧反应中。技术研发人员：赵伯特,万仁典,袁腾辉受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/4/22