本發(fā)明涉及催化劑，具體涉及一種鈷基納米片錨定的貴金屬氧化物團簇催化劑及制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、二氧化釕（ruo2）作為一種高催化活性的材料，在許多有機反應(yīng)和電催化反應(yīng)中表現(xiàn)出卓越的催化性能。其獨特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電性，使得ruo2在電催化水分解反應(yīng)中，特別是在析氧反應(yīng)（oer）中，展現(xiàn)出極高的催化活性。然而，盡管ruo2具有出色的催化性能，但其成本高、資源稀缺的特性，嚴重限制了其在大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用中的可行性。因此，開發(fā)高效、低成本的電催化劑對促進電催化領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。

2、為了解決貴金屬稀缺、價格較高的問題，降低貴金屬的用量，將ruo2做成團簇并負載于具有高比表面積和優(yōu)異導(dǎo)電性的載體上，成為了一種有效的策略。這種策略不僅能夠顯著減少ruo2的用量，降低成本，還能夠通過載體與ruo2團簇之間的相互作用，進一步調(diào)控催化劑的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其對電催化水分解反應(yīng)的催化性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一，提供一種鈷基納米片錨定的貴金屬氧化物團簇催化劑及制備方法和應(yīng)用。

2、釩酸鈷（cov2o6）納米片作為一種二維材料，因其獨特的層狀結(jié)構(gòu)和高比表面積，為電催化反應(yīng)提供了豐富的活性位點。此外，cov2o6納米片還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，能夠在堿性電解質(zhì)中長期穩(wěn)定工作。因此，將ruo2團簇負載于cov2o6納米片上，有望結(jié)合兩者的優(yōu)勢，制備出高效、低成本的電催化水分解催化劑。此外，釩酸鈷中的co與多價釩、鈀、鉑共軛，額外的活性位點有望與ruo2、pdo、pto2團簇的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，進一步增強催化劑對析氧反應(yīng)（oer）的催化性能。因此，本發(fā)明使用釩酸鈷納米片錨定貴金屬氧化物（二氧化釕、pdo、pto2）團簇，有望制備出高效、低成本的電催化水分解催化劑，為電催化水分解技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了新的解決方案，對于推動能源催化領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

3、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

4、本發(fā)明的第一方面提供了一種鈷基納米片錨定的貴金屬氧化物團簇催化劑的制備方法，包括以下步驟：

5、將乙酸鈷溶液、金屬鹽溶液、偏釩酸銨和乙炔黑充分混合均勻后，在50℃~100℃溫度下攪拌，過濾收集樣品；其中，所述金屬鹽溶液所涉及的金屬種類包含ru、pd、pt中的至少一種；

6、將所述樣品進行真空干燥后，在空氣氛圍下熱解，得到鈷基納米片錨定的貴金屬氧化物團簇催化劑。

7、可選地，所述乙酸鈷溶液與金屬鹽溶液的體積比為3:1~20:1，所述偏釩酸銨與乙炔黑的質(zhì)量比為1:1~10:1。

8、可選地，所述金屬鹽溶液所涉及的鹽種類為醋酸金屬鹽、氯化金屬鹽和釩酸鹽中的至少一種。

9、可選地，所述金屬鹽溶液的濃度為0.06?mol/l至0.4?mol/l，所述乙酸鈷溶液的濃度為0.05?mol/l至0.07?mol/l。

10、可選地，所述真空干燥的溫度為50℃~100℃，時間為12~24小時。

11、可選地，所述在空氣氛圍下熱解的具體步驟包括：

12、將真空干燥后的所述樣品在管式爐大氣中以5℃/min~20℃/min的升溫速率升至300℃~500℃，恒溫5?h~15?h后自然冷卻到室溫，得到鈷基納米片錨定的貴金屬氧化物團簇催化劑。

13、本發(fā)明的第二方面提供了一種鈷基納米片錨定的貴金屬氧化物團簇催化劑，采用上述的制備方法得到。

14、其中，貴金屬氧化物包括ruo2、pdo、pto2。

15、催化劑包括ruo2@cov2o6、pdo@cov2o6、pto2@cov2o6。

16、可選地，所述鈷基納米片為釩酸鈷納米片，所述釩酸鈷納米片負載的貴金屬氧化物以納米團簇的形式存在，貴金屬的負載量為0.8?wt%~5.1?wt%。

17、可選地，所述催化劑為厚度為1?nm~3?nm的超薄納米片，所負載的貴金屬氧化物納米團簇的平均粒徑為0.7?nm~1.5?nm。

18、本發(fā)明的第二方面提供了上述的催化劑在能源催化領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括應(yīng)用于水分解反應(yīng)、氧還原反應(yīng)、二氧化碳還原反應(yīng)以及有機催化反應(yīng)。

19、本發(fā)明制備得到的催化劑（ruo2@cov2o6、pdo@cov2o6、pto2@cov2o6）能夠作為陽極催化劑用于電催化oer反應(yīng)，ruo2@cov2o6在玻碳電極上達到10?ma·cm-2電流密度的過電位僅需167?mv，在玻碳電極和碳布上達到100?ma·cm-2電流密度的過電位分別僅需230和201mv。

20、本發(fā)明至少具有以下有益效果之一：

21、本發(fā)明通過簡單的一鍋合成+煅燒方法合成了在釩酸鈷納米片上錨定的貴金屬氧化物（ruo2、pdo、pto2）納米團簇催化劑ruo2@cov2o6、pdo@cov2o6、pto2@cov2o6。該材料形貌為厚度約2?nm?的納米片，ruo2、pdo、pto2團簇的尺寸約為1?nm，釕、鈀、鉑金屬的負載量為0.8wt%~5.1?wt%。該催化劑具有明確的結(jié)構(gòu)，較高的電/離子電導(dǎo)率、催化活性和穩(wěn)定性。同時本發(fā)明所用的制備方法簡單，成本低廉，每克只需要約32元（僅為ruo2的1/46）。

22、本發(fā)明制備的催化劑ruo2@cov2o6、pdo@cov2o6、pto2@cov2o6具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，在500?ma/cm2的電流密度下45小時內(nèi)均能保持較好的穩(wěn)定性；并表現(xiàn)出優(yōu)異的oer催化性能，在電解液為1.0m?koh的經(jīng)典三電極體系中，樣品在玻碳電極上僅需167?mv的過電位就能驅(qū)動10?ma·cm-2的電流密度，在玻碳電極和碳布載體電極上僅需230和201?mv的過電位就能驅(qū)動100?ma·cm-2的電流密度；因此，本發(fā)明制備的釩酸鈷納米片錨定貴金屬氧化物團簇催化劑在能源催化領(lǐng)域具有高度潛在的應(yīng)用價值，可用于其他如orr，co2rr以及多種有機催化反應(yīng)。

技術(shù)特征：

1.一種鈷基納米片錨定的貴金屬氧化物團簇催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述乙酸鈷溶液與金屬鹽溶液的體積比為3:1~20:1，所述偏釩酸銨與乙炔黑的質(zhì)量比為1:1~10:1。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述金屬鹽溶液所涉及的鹽種類為醋酸金屬鹽、氯化金屬鹽和釩酸鹽中的至少一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述金屬鹽溶液的濃度為0.06?mol/l至0.4?mol/l，所述乙酸鈷溶液的濃度為0.05?mol/l至0.07?mol/l。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述真空干燥的溫度為50℃~100℃，所述真空干燥的時間為12~24小時。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述在空氣氛圍下熱解的具體步驟包括：

7.一種鈷基納米片錨定的貴金屬氧化物團簇催化劑，其特征在于，采用權(quán)利要求1~6任一所述的制備方法得到。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的催化劑，其特征在于，所述鈷基納米片為釩酸鈷納米片，所述釩酸鈷納米片負載的貴金屬氧化物以納米團簇的形式存在，貴金屬的負載量為0.8?wt%~5.1?wt%。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的催化劑，其特征在于，所述催化劑為厚度為1?nm~3?nm的超薄納米片，所負載的貴金屬氧化物納米團簇的平均粒徑為0.7?nm~1.5?nm。

10.權(quán)利要求7~9任一所述的催化劑在能源催化領(lǐng)域中的應(yīng)用，其特征在于，包括應(yīng)用于水分解反應(yīng)、氧還原反應(yīng)、二氧化碳還原反應(yīng)以及有機催化反應(yīng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了鈷基納米片錨定的貴金屬氧化物團簇催化劑及制備方法和應(yīng)用，涉及催化劑技術(shù)領(lǐng)域，制備方法包括：將乙酸鈷溶液、金屬鹽溶液、偏釩酸銨和乙炔黑充分混合均勻后，在50℃~100℃溫度下攪拌，過濾收集樣品；將樣品進行真空干燥后，在空氣氛圍下熱解，得到催化劑；本發(fā)明還提供了該催化劑在能源催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。本發(fā)明的有益效果是催化劑具有明確的結(jié)構(gòu)，較高的電/離子電導(dǎo)率、催化活性和穩(wěn)定性。同時，該催化劑的制備方法簡單、成本較低，且可以大批量合成，在能源催化領(lǐng)域具有高度潛在的工業(yè)應(yīng)用價值，可用于電催化水分解、氧還原反應(yīng)、二氧化碳還原反應(yīng)以及多種有機催化反應(yīng)。

技術(shù)研發(fā)人員：何純挺,何美倩,章佳,何玉梅,溫貴華
受保護的技術(shù)使用者：江西師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28