[发明专利]一种用于电催化分解水的水氧化电催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供一种用于电催化分解水的水氧化电催化剂及其制备方法。所述的电催化分解水的水氧化电催化剂是通过电沉积的方法将多元金属，非金属共同组装至导电载体上制备而成。其中，金属组分包括Fe以及Co,Ni,Mo,W中的任意两种，非金属组分包括P,S,O三种。电沉积前驱水溶液中金属源与非金属源的投料摩尔比在1:3‑1:8之间；得到的催化剂中Fe占金属组分的10‑30％。所制备得到的催化剂体系为自支撑的片层状多孔结构，分散度高，比表面积大，物理稳定性和结构稳定性好，在电催化水氧化反应中具有优异的催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种催化剂及其制备方法，具体为一种用于电催化分解水的水氧化电催化剂及其制备方法。

背景技术

水氧化是分解水制氢中关键的速控步骤，也是电催化和光电催化水分解中非常最重要和极具挑战的反应。目前所熟知的用于电催化产氧反应性能最好的电催化剂多是氧化铱、氧化钌等贵金属基物质，然而其低储量和高价格限制了它们的大规模使用，因此许多研究者致力于发展铁、钴、镍、锰、钼、钨等非贵金属基的水氧化电催化剂。如公开号为CN106861699A，CN106492846A，CN102769142A，CN104607191A及CN104415758A等专利中所述的单元或者双元金属氧化物、硒化物及水滑石结构的产氧电催化剂均被报道为优秀的产氧电催化剂。然而，为实现更高效的水分解反应，非贵金属产氧电催化剂的性能仍需进一步提升。其中多元复合材料由于其可调变的化学组分及结构特征，能够从催化剂的表观活性和本征活性两方面提高其催化性能，是一类非常有发展潜力的电催化剂，然而由于体系的复杂性，该类多元复合电催化剂的制备往往也较为复杂，一般需要包含水热、焙烧、溅射等多步、高温、高成本的过程。

基于此，本发明以一种简单易行的制备方法制备得到同时含有多种金属及非金属的多元复合电催化剂。即采用电沉积的方法，通过合理的设计和调变，以多种廉价的化合物为原料，快速制备合成同时含有多元金属、非金属的高性能非晶态水氧化电催化剂。本发明所述的制备方法可以通过调变电沉积前驱溶液的组分，浓度，沉积电流，电位，沉积时间等参数来获得高活性高载量的电极体系，从而满足对于催化性能的不同需求。同时原位电沉积有利于催化剂和导电载体之间的紧密结合，从而提高其电荷传输特性和机械稳定性，具有潜在的工业应用前景。

发明内容

本发明的目的在于为水分解产氢过程中非常重要和挑战的产氧反应提供一种多元金属、非金属合理组装在导电载体上的复合产氧电催化剂体系及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于电催化分解水的水氧化电催化剂，该催化剂是将多元金属，非金属通过电沉积的方法共同组装至导电载体上制备而成。其中：

优选的，金属组分为三元体系，包括FeM₁M₂,其中金属M₁，M₂为Co,Ni,Mo,W中的任意不相同的两种金属，非金属组分包括P,S,O三种；其中电沉积前驱水溶液中金属源与非金属源的投料摩尔比在1:3-1:8之间，优选1:5；得到的催化剂中Fe占金属组分的10-30％，优选为17％；非金属组分P:S:O的比值为1:23:76。

所制备得到的催化剂体系为导电载体自支撑的非晶态片层状多孔结构。

优选的，所述的金属组分为Fe-Co-Ni,Fe-Co-W,Fe-Co-Mo，Fe-Ni-W，Fe-Ni-Mo或者Fe-Mo-W组合之一；其中三种金属的投料比可任意改变，优选的，M₁和M₂在金属组分中的摩尔比分别为31％和52％。

为得到上述的催化剂体系，本发明通过以下具体的技术方案来实现：

采用电化学沉积的方法，以导电基底为载体，在所需量的与催化剂中各组分相关的金属源、非金属源以及不添加或添加有辅助电解质组成的电沉积前驱水溶液中，在一定的电沉积方式下沉积一定时间后，原位得到多组分的水氧化电催化剂电极体系。