[发明专利]一种富含缺陷的过渡金属纳米结构催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于纳米材料制备领域，公开了一种富含缺陷过渡金属纳米结构催化剂的制备方法，包括以下步骤：称取过渡金属化合物和粘结剂，加入N‑甲基吡咯烷酮中混合，形成黑色溶液；将黑色溶液滴加到集流体上，真空干燥，得到干燥好的极片；将极片作为电极，碱性金属片作为对电极，以含有Li离子的溶液作为电解液，组装在双电极电解槽中；将双电极连接到电阻两端，通过自身化学能驱动电子、离子迁移进行还原反应，直至反应结束；将反应后的电极清洗，真空干燥后，得到富含缺陷的过渡金属纳米结构催化剂。所制得的过渡金属纳米结构是由2～8nm的金属纳米晶构成，缺陷原子占比30％～50％，呈现高的电催化活性以及良好的稳定性。

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，特别涉及一种富含缺陷的过渡金属纳米结构催化剂及其制备方法。

背景技术

随着化石能源的不断消耗以及环境污染的日益加重，寻找高效的清洁能源是极为必要的。氢气以其优异的能量密度、高能量转换效率、可再生性，以及零污染特性成为既可作为清洁能源又可作为能源储存载体的理想选择。目前，铂(Pt)基材料是电解水析氢的理想高效的催化剂。然而，贵金属材料的储量少和高成本限制了其进一步地广泛应用。

过渡金属基催化剂作为十分有潜力的电解水催化剂材料，不仅成本低、环境友好、资源丰富，种类繁多、电子层结构丰富以及价态多变等优点等也引起人们广泛的关注。在众多的过渡金属基催化剂中，单金属或者过渡金属合金有着无可比拟的导电性以及出色的本征活性。然而，金属元素不可避免的氧化，高温合成很难得到均一尺寸的纳米晶，使得过渡金属纳米结构的催化活性下降。

为了解决这一难题，合成具有金属缺陷的过渡金属纳米晶可以增加活性位点，金属缺陷能够改善纳米结构的电子结构，加速电子转移，提高催化剂催化活性的同时增强结构的稳定性。然而水热生长法、刻蚀法、脱合金法、离子插层法等方法很难制备出含有很多金属缺陷的催化剂，而且合成过程需要较高的成本并对环境产生一定污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种富含缺陷的过渡金属纳米结构催化剂及其制备方法，解决了目前制备方法无法合成含有很多金属缺陷的催化剂及很难得到均一尺寸的纳米晶的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种富含缺陷的过渡金属纳米结构催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)称取过渡金属化合物和粘结剂，加入N-甲基吡咯烷酮中混合搅拌，形成黑色溶液；其中，以质量百分比计，过渡金属化合物为70％～98％，粘结剂为2％～30％；

2)将黑色溶液滴加到集流体上，在温度为60～120℃下真空干燥6～24h，得到干燥好的极片；

3)将干燥好的极片作为电极，碱性金属片作为对电极，以含有Li离子的溶液作为电解液，组装在双电极电解槽中；

4)将双电极连接到500～3000Ω的电阻两端，通过自身化学能驱动电子、离子迁移进行还原反应，直至反应结束；

5)将反应后的电极清洗，真空干燥后，得到富含缺陷的过渡金属纳米结构催化剂。

进一步，步骤1)中，过渡金属化合物为过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氢氧化物或过渡金属卤化物。

进一步，过渡金属为Fe、Co、Ni、Cu、Mo或Zn元素。

进一步，步骤1)中，粘结剂为聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基壳聚糖、聚丙烯或聚乙烯醇。

进一步，步骤1)中，搅拌5～48h。

进一步，步骤2)中，所述集流体为泡沫金属、金属片或碳布。

进一步，步骤3)中，碱性金属片为锂片、钠片或钾片。