[发明专利]一种Pt原子簇负载WO3

说明书

本发明涉及一种Pt原子簇负载WOsubgt;3/subgt;纳米片析氢反应催化剂及其制备方法，所述析氢反应催化剂以非金属催化剂WOsubgt;3/subgt;为主体，且WOsubgt;3/subgt;为柔性自支撑基材上原位生长的WOsubgt;3/subgt;纳米片结构，还包括以原子簇的形式负载于所述WOsubgt;3/subgt;纳米片上形成的WOsubgt;3/subgt;氧缺陷表面的Pt。

技术领域

本发明涉及一种低Pt含量的电解水析氢反应(HER)电极催化剂及其制备方法，具体涉及一种新型Pt原子簇负载WO₃纳米片HER电催化剂及其制备方法。

背景技术

众所周知，氢能是未来最有潜力的能量载体之一，它具有高能量密度，可再生性和环境友好等优点。通过电解水来制备氢气就是一种很有前景的制氢方式，在电催化析氢反应中，Pt基催化剂仍然是目前商业上广泛使用的催化剂，但是这种催化剂的Pt用量很高，达到了20％(20wt％Pt/C)或者40％(40wt％Pt/C)。考虑到Pt的含量稀缺，成本高，目前这种高Pt含量催化剂必然不可能实现大规模应用，因此通过增加Pt的分散性从而提高Pt的原子利用率进而减少Pt的用量至关重要。

同时，人们也在寻找低成本、储量丰富的非Pt催化剂作为析氢反应的替代品。和碳化物或者氮化物这些都不同，大多数的氧化物在酸性条件下都会溶解，因此WO₃这种为数不多可以在酸性条件下保持稳定的氧化物催化剂自然吸引了许多研究者的目光。但是目前WO₃在析氢反应中的催化活性还远远不能让人满意，因为它的导电率低，极大限制了反应中的电子转移。目前主要有两种提高WO₃导电性的方法，一个是引入高导电率的介质(比如金属或碳)，另外一个是制造氧缺陷，减小能带间隙，同时提供更多的活性位点。总之可以预见到WO₃在未来会是酸性条件下一种很有前景的非Pt析氢催化剂，但是制备出高活性且有长久稳定性的WO₃基催化剂仍然有很多挑战。

发明内容

本发明为克服现有HER贵金属催化剂中Pt的分散性和原子利用率太低导致贵金属含量高，商用成本高，而非贵金属催化剂催化活性又不能满足要求，提供了一种成本较低的高分散贵金属Pt负载WO₃纳米片复合物催化剂及其制备方法。

在此，一方面，本发明提供一种析氢反应催化剂，以非金属催化剂WO₃为主体，且WO₃为柔性自支撑基材上原位生长的WO₃纳米片结构，还包括以原子簇的形式负载于所述WO₃纳米片上形成的WO₃氧缺陷表面的Pt。

本发明的析氢反应催化剂中，Pt以原子簇的形式负载于柔性自支撑基材上原位生长的WO₃纳米片结构上形成的WO₃氧缺陷表面，可作为HER催化剂使用。本发明的Pt/WO₃复合物催化剂，Pt原子簇分散于WO₃表面，WO₃与Pt原子间形成协同催化作用，可使该新型催化剂表现出高的HER催化活性(电流密度为10mA/cm²时的过电位为38～45mV)和极高的Pt质量活性(过电位为10mV时的质量活性是0.21～0.23A/mg)，使该新型催化剂表现出与商用的20wt％Pt/C电催化剂相比拟的HER催化活性，而该催化剂中单位面积贵金属 Pt的负载量为商用Pt/C的1/3左右，Pt的质量活性可达商用20wt％Pt/C的3.3倍以上，极大降低催化剂的成本，有较高的经济效益，能同时兼顾催化性能和抑制成本，极具大规模商业使用的价值，能够有效地促进氢经济的发展。

较佳地，所述Pt的含量为WO₃与Pt的总质量的0.2～0.25wt％。

所述析氢反应催化剂中，所述WO₃纳米片上形成有少量WO₃氧缺陷。