[发明专利]一种稳定催化剂表面Ni3+

说明书

本发明涉及一种稳定催化剂表面Ni³⁺活性位点的方法及应用，制备金属缺陷型Co_3‑xO₄，将Co_3‑xO₄作为电子受体载体，与NiO复合制备Co_3‑xO₄/NiO催化剂，通过Co_3‑xO₄/NiO之间强电子相互作用加速电子传输，促进催化剂表面Ni²⁺向Ni³⁺的转变，从而稳定催化剂表面Ni³⁺活性位点。本发明可以有效稳定催化剂表面Ni³⁺活性位点，构建Co_3‑xO₄/NiO粉末型催化剂，其制备工艺简单，成本低，易于工业化应用。含有丰富Ni³⁺的Co_3‑xO₄/NiO可以有效调节含氧中间体(OH*、O*和OOH*)吸附构型并具有适当的结合能，降低吉布斯自由能变化，提高导电性，加速OER反应动力学，在电催化水分解析氧反应中具有极大的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料合成、电催化技术领域，具体涉及一种稳定催化剂表面Ni³⁺活性位点的方法及应用。

背景技术

当前，传统化石燃料的大量消耗使得能源危机与环境问题成为人类社会面临的两大棘手问题。开发利用新型可再生及清洁能源成为解决能源与环境问题的重要途径。其中，氢能由于清洁无污染及高能量密度等特点而成为传统化石燃料的有效替代者。电催化水分解是实现大规模制氢的有效方法。然而，发生于电催化水分解装置阳极的析氧反应(OER)涉及复杂的4电子转移过程而表现出缓慢的反应动力学。目前贵金属催化剂(例如Ir、Ru基催化剂)可以加速水分解动力学及降低反应过电位而具有高的电催化效率，但是贵金属材料的高成本、稀缺性和较低耐用性等问题限制了其广泛应用。因此，设计与合成性能优良的非贵金属基OER(析氧反应)催化剂对于实现大规模电催化水分解制氢反应具有重要意义。

最近，钴基和镍基过渡金属氧化物已广泛用于电催化OER。然而，单一类型的金属氧化物催化剂催化活性位点不足，导电性和电子转移能力差，含氧中间体的结合能过强/过弱，难以满足商业应用。采用界面工程策略构建异质纳米结构被认为是提高OER性能的有效策略。许多研究已经证实，由于具有适宜的电子结构(3d⁷,t_2g⁶e_g¹)，Ni³⁺在提高OER性能方面起着关键作用。然而，NiO中具有高形成能的Ni³⁺表面位点并不稳定。此外，异质纳米结构中元素晶格应变的差异导致其氧化还原电位和结构有序性的差异。因此，如何提高表面Ni³⁺位点的结构稳定性，进一步提升OER性能是非常重要和迫切需要的。

非均相纳米结构中两种组分之间相互作用的强度对催化剂的活性和稳定性有重要影响。采用金属缺陷型Co_3-xO₄作为电子受体载体，不仅可以通过Co_3-xO₄/NiO的强电子相互作用加速电子传输，促进表面Ni²⁺向Ni³⁺的转变，而且可以稳定催化剂表面Ni³⁺活性位点，从而提高催化剂活性和稳定性。

发明内容

本发明的目的之一是提出的一种稳定催化剂表面Ni³⁺活性位点的方法，采用金属缺陷型Co_3-xO₄复合NiO纳米簇的策略，通过Co_3-xO₄/NiO之间强电子相互作用加速电子传输，促进表面Ni²⁺向Ni³⁺的转变，解决了催化剂表面Ni³⁺活性位点稳定性不足的问题，该方法简单、成本低，具有工业应用前景。