[发明专利]一种Ga基金属间化合物、制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种Ga基金属间化合物、制备方法及应用。包括以下步骤：S1.采用溶胶凝胶法将表面功能化的载体、亲水性聚合物、Ga前驱体和贵金属前驱体聚合形成复合水凝胶前体；S2.将所述复合水凝胶前体经过冷冻干燥后，在还原气氛中高温热处理后得到目标Ga基金属间化合物。本发明通过简单、高效的溶胶凝胶法制备得到的Ga基金属间化合物，不仅操作简单、快捷，易于规模化生产；而且制得的Ga基金属间化合物具有比表面积大、粒子不易团聚、催化活性高和结构稳定等优点，在应用中对燃料电池和能量转换装置中的催化反应展现出优异的催化活性和稳定性，满足了相关领域应用和发展的要求。

技术领域

本发明属于金属间化合物制备技术领域，尤其涉及一种Ga基金属间化合物、制备方法及应用。

背景技术

随着全球能源需求的日益增长和环境污染问题的日益严重，寻求新型、清洁的能源引起了世界各国的广泛关注。其中，氢能被认为是最具有开发潜力的清洁能源来替代传统的化石能源。传统的制氢方法(如水煤气转化、天然气制氢等)仍然依赖于传统的化石能源，并且会造成严重的环境污染，极大地限制了氢能的发展与大规模推广应用。电解水制氢法以来源广泛的水资源为原料，在整个制备过程中不会产生污染气体，并且制得的氢气纯度高、杂质含量少，该项技术被认为是人类大规模制备氢气的有效途径。但是，传统的电解水制氢反应技术仍具有电能过度消耗、能量转换效率较低等局限性。针对这一瓶颈，开发具有低过电势、低成本且高效稳定的析氢反应(HER)催化剂，具有重要的理论意义和应用价值。

近年来，金属镓(Ga)由于其独特的理化性质，易与钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、钯(Pd)和铂(Pt)等金属形成金属间化合物，在燃料电池和能量转换装置催化反应中表现出优异的催化活性和稳定性，是目前研究最为广泛的催化剂材料之一。研究证明，金属Ru、Rh、Ir和Pd的本征催化活性要低于贵金属Pt，但通过与金属Ga形成固溶体合金，由于不同金属组分间的协同效应，可显著提升催化剂的催化活性和稳定性，其性能甚至优于Pt基催化剂。然而，在Ga基固溶体合金中，原子无序分布会导致固溶体合金的结构稳定性变差以及在固溶体合金中Ga原子和其他金属原子是杂乱无章无序排列的，导致催化活性位点的位置不明确，不利于对催化机理进行研究。与无序的固溶体合金相比，有序的金属间化合物的优势在于：①金属间化合物具有较高的混合焓和原子不易扩散的特性，使其结构稳定性更高；②金属间化合物中不同原子间的强相互作用，能够将合金效应对电子结构调控的影响最大化，有利于提升其催化性能；③金属间化合物具有确定的原子排布，可以精确地分析催化活性中心分布及其周围的配位环境，有助于从本质上研究催化反应的机理，构建催化剂结构与催化性能间的构效关系并指导新型催化剂的开发。

然而，在体相Ga基金属间化合物的制备中，为实现无序结构向热力学稳定的有序结构转变，需要通过高温热处理来驱动原子扩散并克服结构转变的能垒(如Ni-Ga金属间化合物需约700℃，Ir-Ga金属间化合物需约800℃)。然而经过高温处理后会造成金属间化合物纳米颗粒的团聚、聚集以及Ostwald熟化等问题，导致无法精确控制纳米颗粒的尺寸、形貌；同时会使纳米颗粒催化剂表面的活性位点锐减，进而导致催化剂失活。因此，从结构优化的角度出发，亟需发明一种简单又快捷的制备原子有序排布的Ga基金属间化合物的通用方法显得尤为重要。

发明内容

为了克服现在技术存在的问题，本发明提供一种Ga基金属间化合物、制备方法及应用来解决现有技术中存在的上述问题。

一种Ga基金属间化合物的制备方法，包括以下步骤：

S1.采用溶胶凝胶法将表面功能化的载体、亲水性聚合物、Ga前驱体和贵金属前驱体聚合形成复合水凝胶前体；

S2.将所述复合水凝胶前体经过冷冻干燥后，在还原气氛中高温热处理后得到目标Ga基金属间化合物。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述表面功能化的载体为碳材料载体，包括氧化石墨烯GO、碳纳米管CNTs或碳纳米纤维CNFs中的任意一种。