[发明专利]一种催化材料及其原位电化学活化方法和应用

说明书

本发明提供一种催化材料及其原位电化学活化方法和应用，可以大幅度提升目标材料的催化效率及稳定性，并有潜力实现催化制氢等反应在工业级电流密度或效率下服役。原位电化学活化方法包括以下步骤：对目标材料施加大小可控的电势，使目标材料表面发生原位电化学氧化还原反应，进而在目标材料表面实现原位重构，形成高比表面积，高催化活性的第二物相。本发明通过电化学活化方法使目标材料表面原位重构，在保证原始材料物理性质不变的情况下，在其表面形成具有高度孔隙的结构，这种结构除了能提高材料机械稳定性外，还能降低界面处电荷转移阻力，促进气泡成核/释放，提高传质效率，从而大幅提高材料在大电流密度下的催化性能，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及催化材料技术领域，具体而言，涉及一种催化材料及其原位电化学活化方法和应用。

背景技术

近年来，人们对催化剂的要求不仅仅限于实验室，而更希望开发出能够在工业上效率高、性能稳定的催化剂，这对催化剂本身的性质提出了更高的要求。

大电流密度下的催化效率及稳定性是当前限制催化剂大规模工业应用的主要因素之一。目前大多数催化剂的设计都是通过粘结剂将不同性能的材料粘接到一起，由此不仅带来较大的电荷转移电阻，而且由粘接剂产生的范德华力或共价键使催化剂在剧烈气泡的冲击下容易造成脱落，具有较短的寿命。大电流密度下气泡动力学是影响催化效率的另一重要因素。迅速产生的大量气泡如果不能即时从催化剂表面脱附，会阻塞活性位点，提高传质以及电子传输的阻力，产生额外的气泡过电势。因此，改善催化剂表面性能，加快气泡脱附，尽量降低气泡过电势在大电流密度下显得更加重要。

另外二维层状金属材料成分及结构具有较大灵活性，电子结构与表面性质便于调控，从而成为催化领域的研究热门。然而其层内原子全部成键，是热力学稳定的晶面，同时也是在合成中最容易暴露的面，这也就使二维材料的本征催化性能较差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是改善催化材料的低本征催化效率。对其最容易暴露的、热力学稳定的惰性晶面进行重构，从而原位形成具有高催化活性的第二相，以降低电荷转移阻力，改善气泡脱附动力，从而提高其大电流密度下的催化效率及稳定性。

本发明的第一方面提供一种催化材料的原位电化学活化方法，包括以下步骤：对目标材料施加大小可控的电势，使目标材料表面发生原位的电化学氧化还原反应，进而在目标材料表面实现原位重构，形成具有多孔结构的第二相材料。

进一步地，在直流电解槽设备中，以目标材料作为工作电极，对目标材料施加负电势或正电势，使其处于被还原或被氧化状态。

进一步地，通过循环伏安法(CV)或者计时电流法(CA)对目标材料施加恒定或者变化的电势。

进一步地，所述目标材料经过原位电化学活化，在表面形成过渡族金属组分的相应单质或一元氧化物，所述目标材料为含有3d、4d或5d过渡金属元素的层状结构材料，其通式为A_xB_yO_z，其中x，y，z的组合方式选自如下任意一种：1，1，3(±0.5)、1，2，6(±0.5)、2，1，4(±0.5)、3，2，7(±1)、4，3，10(±1)。

进一步地，所述通式为A_xB_yO_z的材料，A为碱土金属元素或稀土元素中的一种，B为过渡金属中的一种；经过原位电化学活化，最终形成的产物为B/A_xB_yO_z或BO/A_xB_yO_z，其中B为金属单质，BO为B的氧化物形式。

进一步地，A选自Ca、Sr、Ba、Ce、Pr、Nd、Ag中的一种，B选自Fe、Co、Ni、Cu、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、W、Ir、Pt、Au、Ce、Pr、Nd中的一种。