[发明专利]一种铱单原子催化剂、其制备方法及应用

说明书

本发明提供一种铱单原子催化剂，包括羟基氧化钴衬底和单分散的生长在所述羟基氧化钴衬底表面氧原子的三重中空位点处的铱原子。本发明中的羟基氧化钴表面分布有氧原子，利用线性伏安扫描法，在负电压驱动条件下，电解液中的正离子基团IrClsupgt;3+/supgt;选择性的生长在带有负电的表面氧的三重中空位点处，与三个氧原子配位，形成稳定的Ir‑O化学键。单原子Ir通过Ir‑O化学键与衬底之间形成强电子相互作用，改变了活性中心的电子结构，使其具有更强的亲电子性，有利于增强对析氧反应中氧中间体的吸附，表现出了优于商用析氧反应催化剂氧化铱的催化活性，且具有较好的稳定性。本发明还提供了一种铱单原子催化剂的制备方法及应用。

技术领域

本发明属于电催化反应技术领域，尤其涉及一种铱单原子催化剂、其制备方法及应用。

背景技术

能源短缺和环境污染问题是21世纪以来人类社会发展的两大难题，因此，寻找洁净的可再生能源及开发高效的能量存储和转换技术迫在眉睫。电催化由于具有绿色环保，简单方便及高效等优势成为能源催化领域的重要组成部分，因此研究高效、低廉环保的电催化剂是推动能量存储与转换技术快速发展的重要途径。电催化析氧反应作为众多电催化阴极反应(如二氧化碳电还原、电化学合成氨、氧还原等)的阳极反应，能够为整个电催化系统提供质子和电子。传统的电催化析氧反应以铱、钌基催化剂为主，虽然有着较好的活性，但是贵金属铱、钌储量稀少、成本高昂，不可再生，难以进行大规模的产业应用。因此研制贵金属负载量低、高活性的电催化析氧反应催化剂尤为重要。

单原子催化剂是将孤立的金属原子负载在衬底材料上，从而实现100％的原子利用率。同时，单原子催化剂被认为具有均一的活性位点，这有利于实现超高的选择性。然而，这种均一性只有当所有的单原子金属中心与衬底具有相同的金属-衬底相互作用才能实现。这种均一性不仅取决于单原子金属中心的原子种类，还受周围配位环境的影响。特别是在真实衬底表面，往往存在多种几何结构或者缺陷，这就为单原子的生长提供了不同的锚定位点，在这些不同的位点上，同种金属单原子的配位环境有所不同，对催化反应的活性和选择性的影响也不同。要实现单原子催化剂真正的均一性，需要发展一种可以精确控制单原子生长位点的合成方法来精确调控单原子中心的配位环境和催化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铱单原子催化剂、其制备方法及应用，本发明中的铱单原子催化剂中的Ir单原子生长在CoOOH纳米片表面氧原子的三重中空位点处，在催化析氧反应中具有优异的催化活性。

本发明提供一种铱单原子催化剂，包括羟基氧化钴衬底和单分散的生长在所述羟基氧化钴衬底表面氧原子的三重中空位点处的铱原子；

所述三重中空位点为羟基氧化钴衬底表面任意三个呈三角形分布的氧原子的中心。

优选的，所述铱单原子催化剂中铱原子的质量分数为0.95～1.5％。

优选的，所述羟基氧化钴衬底的尺寸为80～100nm。

本发明提供上文所述的铱单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将三电极体系置于含有铱盐的电解质溶液中，进行线性伏安扫描合成，得到铱单原子催化剂；

所述三电极体系中的工作电极为负载有羟基氧化钴纳米片的玻碳电极；所述线性伏安扫描的电压为-0.4～0.1V。

优选的，所述电解质溶液包括铱盐、氢氧化钾和水；所述铱盐为四氯化铱。

优选的，所述铱盐的质量、氢氧化钾的质量和水的体积之比为(0.03～0.04)mg：(55～58)mg：(0.9～1.0)mL。

优选的，所述线性伏安扫描合成的扫描速度为3～8mV/s；所述线性伏安扫描合成的扫描次数为3～5次；每次所述线性伏安扫描合成的时间为63～167s。

优选的，在所述线性扫描合成中搅拌电解质溶液，所述搅拌的速率为1000～2000r/min。