[发明专利]一种超薄蜂窝层状氧化物纳米片、制备方法及其在电催化酸性析氧反应中的应用

说明书

一种超薄蜂窝层状氧化物纳米片、制备方法及其在电催化酸性析氧反应中的应用，属于无机功能材料技术领域。是将含Ir/Ru/Mn基原料与含碱金属/碱土金属基原料按照一定比例研磨混合均匀并煅烧，得到蜂窝层状结构氧化物；将煅烧得到的固体粉末依次进行酸处理质子化、复合熔盐研磨剥离、冷冻干燥等系列操作，即可得到Ir基、Ru基、Mn基或三者任意比例固溶的超薄蜂窝层状氧化物纳米片。本发明操作步骤简单，重复性好，扩展性强，所制备的样品产率高，分散性好，可大量生产。在电催化酸性析氧反应中，该类材料由于暴露了大量的催化活性位点而展现出优异的电催化活性，且催化过程中金属离子几乎不脱出，具有优异的结构稳定性。

技术领域

本发明属于无机功能材料技术领域，具体涉及一种超薄蜂窝层状氧化物纳米片、制备方法及其在电催化酸性析氧反应中的应用。

背景技术

质子交换膜电解水技术(PEMWE)可以耦合太阳能、风能等可再生能源的间歇性电力，是目前最有前途的绿色制氢手段。PEM(质子交换膜)电解水阳极端反应动力学缓慢，往往伴随着较高的过电势和较大的能耗，限制着整个反应的速率。同时，该反应发生在强酸、强腐蚀性的环境中，高电压的施加会引起催化过程中电催化剂表面的溶解和重构，甚至氧化分解。金红石型二氧化铱(IrO₂)是目前商业上大规模应用的酸稳定阳极析氧催化剂，但其催化活性仍不理想。近些年来，钙钛矿型铱基催化剂(如3C-SrIrO₃、6H-SrIrO₃、层状钙钛矿Sr₂IrO₄、双钙钛矿Ba₂PrIrO₆等)得到了长足发展，展现出了比二氧化铱更高的催化活性(Science,2016,353,1011-1014；Nat.Commun.,2018,9,1-9；Chem.Mater.2020,32,3499-3509；Nat.Commun.,2016,7,12363)。然而，该类催化剂在催化过程中往往会原位重构生成非晶表面活性相IrO_xH_y，这在一定程度上牺牲了材料的稳定性。构建兼具高活性和稳定性的新型酸性水氧化催化剂是当前发展的必然趋势。

铱基、钌基和锰基氧化物是目前最有前景的酸性析氧催化剂，其相应的蜂窝层状氧化物由于层状结构的存在，在实现高活性和稳定性方面占据优势。蜂窝层状氧化物是一大类典型的层状结构氧化物，但其合成需要高温条件，导致材料尺寸大，不适合催化研究。由于这类材料中插层离子和层板的强相互作用，它们的剥离至今仍然是很大的挑战。发展普适性的剥离方法，从而促进该类材料的催化应用，对于寻找优异的酸性析氧催化剂有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种超薄蜂窝层状氧化物纳米片、制备方法及其在电催化水裂解中的应用，本发明涉及的超薄蜂窝层状氧化物纳米片为具有蜂窝结构的二维层状氧化物/固溶体氧化物(A₂B_xB’_1-xO₃，其中A为碱金属或碱土金属元素，如Li、Na、K、Mg、Ga、Sr、Ba等，B和B’为Ir、Ru、Mn元素，且0≤x≤1)。得益于层状材料插层离子易于在酸性环境中与质子发生交换的特点，本发明通过复合熔盐研磨剥离的制备手段，获得了超薄二维蜂窝层状氧化物纳米片。该纳米片最大程度暴露了催化剂的活性位点，并且金属-氧(MO₆)八面体以共边的方式连接使得该类催化剂展现出了优异的催化活性和稳定性，是极具潜力的酸性水氧化催化剂。

本发明所述的一种超薄蜂窝层状氧化物纳米片的制备方法，是将金属源与碱金属化合物或碱土金属化合物按照一定比例混合并煅烧，然后将得到的固体产物依次按照酸处理质子交换、复合熔盐研磨剥离的步骤进行操作，即可得到超薄蜂窝层状氧化物纳米片，具体步骤如下：