一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂及其制备方法

本发明涉及电化学催化，具体地说，涉及一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、能源是人类社会存在与发展的基石，是经济发展与文明进步的基本制约条件，是国民经济国家安全和实现可持续发展的重要基础。在“碳达峰、碳中和”目标的指引下，继太阳能、风能等新能源迎来快速发展后，氢能作为公认的零碳能源正在脱颖而出。氢气的制备技术主要有化石燃料制氢，电解水制氢，光解水制氢和生物制氢。

2、电解水制氢工艺简单，产品纯度高，通过采用可再生能源作为能量来源，可实现氢气的高效、清洁和大规模制备。然而，电解水是一个涉及正负极多电子转移的复杂氧化还原反应过程，因此电解水催化剂是决定电解水制氢成本的关键因素之一。

3、目前工业上应用最广泛的是碱性电解水技术，在当前技术条件下，贵金属铂和氧化钇/氧化钌分别是催化效率较高的阴极和阳极催化剂，但它们昂贵的价格和较差的稳定性严重限制了其工业化应用。因此，提高贵金属催化剂的利用率和催化稳定性的电解水催化剂是大规模推广这项技术核心竞争力的关键。

4、高熵羟基氧化物是在高熵合金的基础上衍生发展的一类由氧离子、氢氧根离子和五种或五种以上金属元素组成的，具有独特结构和功能可调特性的新型功能材料。在高度无序的多组分体系中，高熵羟基氧化物由于混合熵较大，产生了一系列独特的特性，比如晶格畸变效应、高熵效应、迟滞扩散效应以及鸡尾酒效应。

5、近年来，单原子复合材料作为一类新型催化剂，它将贵金属原子锚定在基底上可以大幅提高贵金属的原子利用率和稳定性，具有独特的电子结构和优异的催化性能，正成为催化领域的一个研究热点。但是，贵金属单原子具有非常高的表面自由能，使其易团聚形成团簇和纳米颗粒，因此单原子催化剂的制备是一个挑战；同时另一方面，较大的掺杂量易团聚形成团簇，但过低的掺杂量又无法保证催化活性位点的数量，这在一定程度上又会影响单原子催化剂的活性。因此，具有均匀尺度及丰富催化活性位点的贵贵金属单原子催化剂的制备方法还处于研究开发阶段。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂及其制备方法，其能够克服现有技术中单原子催化剂上载量低且分数不均匀的问题。

2、一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂，其为贵金属单原子负载的高熵羟基氧化物催化剂，所述高熵羟基氧化物的分子式为zn3-xv2mx(oh)2o7·2h2o，其中m为可选金属且为ni、co、fe、cu、al、mn中的三种或三种以上，贵金属单原子种类为au、ru、in、pt中的一种或一种以上。

3、作为优选，每种可选金属元素占所有非贵金属元素的原子百分比为0.05-0.3。

4、一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂的制备方法，其具体包括以下步骤：

5、步骤s1、以蒸馏水作为溶剂，加入五氧化二钒和无机非贵金属盐，超声混合得到混合金属盐溶液；

6、步骤s2、在磁力搅拌条件下，再依次加入混合金属盐溶液、贵金属单原子金属盐、乌洛托品、无水硫酸钠，充分混匀后得到前体溶液；

7、步骤s3、将步骤s2中的前体溶液转入反应釜进行水热反应，冷却后收集反应釜中上层的灰褐色粉末，离心洗涤，真空干燥，制得所述的贵金属单原子催化剂。

8、作为优选，步骤s1中无机非贵金属盐为硝酸盐、硫酸盐和/或盐酸盐。

9、作为优选，步骤s2中贵金属单原子金属盐为氯金酸、氯化钌、氯铂酸、氯化铟/硝酸铟/硫酸铟。

10、作为优选，步骤s1中混合金属盐溶液的超声处理时间在30-60min。

11、作为优选，步骤s3中水热反应的反应温度为110-130℃，反应时间为24-36h。

12、作为优选，步骤s2中前体溶液中钒离子浓度为0.14-0.17mol·l-1，锌离子浓度为0.03-0.05mol·l-1，硫酸钠为0.10-0.14mol·l-1，乌洛托品浓度为0.06-0.11mol·l-1，无机非贵金属盐浓度为0.01-0.02mol·l-1，贵金属单原子金属盐浓度为0.001-0.005mol·l-1。

13、本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

14、(1)本发明中贵金属单原子催化剂为贵金属单原子负载的高熵羟基氧化物催化剂，其基底是高熵羟基氧化物，基于高熵羟基氧化物的独特性质，其一方面本身是一种优良的电解水催化剂，在一定程度上能提高催化剂的活性，同时另一方面其可以作为一种优良的载体以锚定贵金属单原子，提高单原子的上载量和稳定性。

15、(2)基底高熵羟基氧化物结晶性良好，形貌规整，金属元素种类和比例可调，并且高熵化合物的“鸡尾酒”效应还可以改变单原子催化剂的配位环境，进而调控其电子结构，进而调控贵金属单原子催化剂的电子结构，优化催化剂的配位环境，进而制备得到具有多功能催化性质的单原子催化剂。

16、(3)高熵羟基氧化物中金属元素种类和比例可调，这种特殊的高熵效应能为锚定不同类型的贵金属单原子提供配位环境和键合作用。因此本发明提供的是一种通用的单原子催化剂合成策略，可为单原子催化剂的可控制备提供了一种新的思路。

技术特征：

1.一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂，其特征在于：其为贵金属单原子负载的高熵羟基氧化物催化剂，所述高熵羟基氧化物的分子式为zn3-xv2mx(oh)2o7·2h2o，其中m为可选金属且为ni、co、fe、cu、al、mn中的三种或三种以上，贵金属单原子种类为au、ru、in、pt中的一种或一种以上。

2.根据权利要求1所述的一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂，其特征在于：每种可选金属元素占所有非贵金属元素的原子百分比为0.05-0.3。

3.一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于，其具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s1中无机非贵金属盐为硝酸盐、硫酸盐和/或盐酸盐。

5.根据权利要求3所述的一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s2中贵金属单原子金属源为氯金酸、氯化钌、氯铂酸、氯化铟、硝酸铟或硫酸铟中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s1中混合金属盐溶液的超声处理时间在30-60min。

7.根据权利要求3所述的一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s3中水热反应的反应温度为110-130℃，反应时间为24-36h。

8.根据权利要求3所述的一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s2中前体溶液中钒离子浓度为0.14-0.17mol·l-1，锌离子浓度为0.03-0.05mol·l-1，硫酸钠为0.10-0.14mol·l-1，乌洛托品浓度为0.06-0.11mol·l-1，无机非贵金属盐浓度为0.01-0.02mol·l-1，贵金属单原子金属源浓度为0.001-0.005mol·l-1。

技术总结
本发明涉及电化学催化技术领域，具体地说，涉及一种基于高熵效应的贵金属单原子催化剂及其制备方法，贵金属单原子催化剂为贵金属单原子负载的高熵羟基氧化物催化剂，所述高熵羟基氧化物的分子式为Zn<subgt;3‑x</subgt;V<subgt;2</subgt;M<subgt;x</subgt;(OH)<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;·2H<subgt;2</subgt;O，其中M为可选金属且为Ni、Co、Fe、Cu、Al、Mn中的三种或三种以上，贵金属单原子种类为Au、Ru、In、Pt中的一种或一种以上。本发明制备的贵金属单原子复合催化剂形貌规整，结晶性良好，高熵羟基氧化物基底的金属元素种类和比例可调，可用于制备多种贵金属单原子催化剂，在催化领域具有广泛的应用前景。

技术研发人员：许海涛,边筱扉,邱华军
受保护的技术使用者：东莞理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12