[发明专利]一种原位出溶型催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及化学催化剂及其制备技术领域，公开一种原位出溶型催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以层状晶体为出溶框架，晶格间隙掺杂出溶金属及其氧化物，通过电还原使掺杂的出溶金属及其氧化物原位出溶，其制备方法是将出溶金属盐、层状晶体混合进行水热合成，经煅烧、电还原诱导金属及金属氧化物在晶格间隙出溶，出溶的纳米粒子粒径小、尺寸均一，展现了良好的二氧化碳电催化还原的能力，且具有优异的稳定性，电解长达40h，电催化性能无减弱，纳米粒子无团聚现象，打破了目前所选固溶体多为钙钛矿材料的壁垒，且还原条件温和，出溶速度快。

技术领域

本发明涉及化学催化剂及其制备技术领域，具体涉及一种原位出溶型催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

金属纳米粒子被证明是一种有效的催化剂，在光催化、热催化及电催化等广泛的应用中表现出优异的性能。然而，纳米粒子在催化过程中往往面临着团聚、碎裂等失活问题。为了增强体系的稳定性，一个常用的策略是将纳米粒子和稳定的多孔载体相结合。典型的负载方式主要有物理混合、气相沉积以及浸渍法，由于载体和纳米粒子之间的弱相互作用，会导致负载颗粒尺寸分布不均一、复合材料易分离的问题，从而影响催化的性能及体系的稳定性。近来一种从母体载物中脱溶，原位生长出纳米粒子的技术受到了广泛关注。

CN111394748A公开了一种用于CO₂电解的铁镍合金原位脱溶的钙钛矿阴极材料。该发明在钛矿材料Pr_0.5Ba_0.5MnO₃的A位引入Pr、Ba缺位，B位掺入Fe、Ni两种过渡金属离子，通过H₂还原使其转变PBMFNO，同时原位脱溶出的尺寸介于30-50nm的铁镍合金FeNi₃纳米颗粒。该发明制备出的钙钛矿阴极材料具有良好的稳定性和CO₂催化活性，可以有效降低阴极极化。

CN108493460A公开了一种钙钛矿/氧化铈氧催化剂脱溶复合制备方法，采用高温还原或高能气氛球磨的方法，在材料体相内析出第二相(氧化铈)，在浓度差的驱动下，第二相扩散至材料表面并逐渐长大成纳米颗粒，进而实现氧化铈与催化剂本体的原位复合。与传统的复合催化剂制备方法相比，利用所述的“脱溶复合”方法，能在钙钛矿催化剂的表面原位生长纳米颗粒，可以大大增强催化剂本体与复合材料之间的相互作用，充分发挥催化剂本体与第二相的“协同催化效应”，进而改善氧催化剂的活性，提高金属空气电池的功率密度。

然而目前的出溶框架还是局限于钙钛矿类材料，并且前期掺杂局限性大，出溶条件严苛，基本需要高温还原出溶，对生产设备环境的要求高，同时出溶速度慢，因此寻求他类出溶框架，实现简单易行的金属纳米粒子脱溶的原位生长技术就至关重要。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中出溶元素须与被掺杂位点的金属元素半径接近，且要易于被还原等问题，提供一种新型的出溶型催化剂，以层状晶体为框架原位出溶金属纳米粒子的催化剂，出溶金属元素选择范围广，出溶温度低、速度快，解决了现有技术中钙钛矿类出溶型催化剂的出溶金属元素局限性大，出溶条件苛刻、出溶速度慢的问题，且该催化剂具有非常有益的稳定性和催化活性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种原位出溶型催化剂，以层状晶体为出溶框架，晶格间隙掺杂出溶金属及其氧化物，通过电还原使掺杂的出溶金属及其氧化物原位出溶；所述层状晶体包括晶体结构为层状的碱式氧化镍、硫化物、氧化物或硅酸盐。

所述原位出溶型催化剂的出溶金属及金属氧化物粒径为≤10nm；所述出溶金属包括铜、铁、铬、锰、钴、钛等，密度泛函理论模拟计算得到的上述金属出溶偏析能证明其在热力学角度是可自发进行的。

本发明提供所述的原位出溶型催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将出溶金属盐、层状晶体溶解在溶剂中，混合得到混合液；