一种氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂及其制备方法与流程

本发明属于电催化剂合成技术领域，具体涉及一种氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂及其制备方法。

背景技术：

与蒸汽甲烷转化法和水煤气法相比，电解法以水为原料，是一种清洁、可持续的大规模制备氢气的方法。电化学水裂解反应包括析氢反应（her）和析氧反应（oer）。传统的贵金属（如pt，ru，ir等）和贵金属氧化物（iro2，ruo2等）催化剂具有较高的her和oer活性，但价格昂贵且资源匮乏限制了它们的大规模应用。因此开发储量丰富、价格便宜、高效、稳定的电催化剂，是水裂解研究和应用的关键。

wo3是一种具有广阔前景的电催化剂，这主要归因于其在电化学反应中狭窄的电荷转移间隙，可促进电荷转移和调节氢或氧的吸附/脱附能力。

然而，通常情况下，wo3会使得催化剂与电极或电解质之间的界面处形成肖特基势垒，这导致水裂解工艺的过电位较高。现有技术的催化剂表面固有的电子转移速率和电催化性能较低，稳定性差。因此，怎样提高电解水催化剂的催化性能和稳定性成为水裂解研究中的重要课题。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂及其制备方法，以实现以下发明目的：提高电解水催化剂的催化性能和稳定性。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂的制备方法，采用的原料包括agno3、cis-pt(nh3)2cl2和na2wo4。

所述agno3、cis-pt(nh3)2cl2和na2wo4的摩尔比为2:1:1。

包括铂取代多酸的制备步骤；所述铂取代多酸的制备：将agno3、cis-pt(nh3)2cl2和na2wo4用水溶解，然后用盐酸调节溶液的ph值为3.6-3.8，并在23-27℃下搅拌23-25h，产生黄色沉淀。

所述铂取代多酸的制备：将黄色沉淀过滤后，将滤液在冰浴中搅拌11-13h，然后利用室温挥发法在黑暗中结晶，得到无色的p2w17pt2晶体。

所述晶体：基于pt的产率为24-26%。所述的结晶：结晶时间为6-8天。

包括催化剂的制备步骤；所述催化剂的制备：将p2w17pt2晶体置于高温管式炉中，在ar气氛下煅烧，得到氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂。

所述煅烧：煅烧温度为850-900℃，煅烧时间为1.5-2.5h。

采用上述技术方案，本发明的有益效果为：

（1）本发明氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂在碱性条件下催化her反应和oer反应中分别只需要28mv和174mv的过电位即可提供10ma·cm^-2的电流密度。

（2）本发明在pt含量1.58wt%的低pt含量前提下，催化将水分解成氢气和氧气仅需要1.55v的电压。

（3）在催化反应10小时后本发明催化剂的催化性能保持基本不变。

本发明合成的铂掺杂氧化钨电解水催化剂具有丰富的氧空位，显著的增加了电化学活性位点，不仅促进了水的吸附，同时还可以加速电子传输并促进电催化活性成分之间的电子耦合，从而显著提高催化剂的水裂解能力。

附图说明

图1为本发明制备的铂取代多酸p2w17pt2晶体结构图。

图2为本发明制备的铂掺杂氧空位丰富的氧化钨的tem图。

图3为本发明制备的铂掺杂氧空位丰富的氧化钨的o1sxps图。

图4为本发明制备的电催化剂电解装置及电解过程图。

图5为本发明制备的铂掺杂氧空位丰富的氧化钨的her性能测试图。

图6为本发明制备的铂掺杂氧空位丰富的氧化钨的oer性能测试图。

图7为本发明制备的铂掺杂氧空位丰富的氧化钨的水裂解性能测试图。

图8为本发明制备的铂掺杂氧空位丰富的氧化钨的稳定性测试图。

具体实施方式：

下面结合具体的实施例，进一步阐述本发明。

实施例1一种氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂的制备方法

包括以下步骤：

步骤1、铂取代多酸(p2w17pt2)的制备

将0.8mmolagno3（即0.136g）、0.4mmolcis-pt(nh3)2cl2（即0.121g）和0.4mmolna2wo4（即0.132g）加入到25ml的平底烧杯中，加入8ml水并搅拌溶解后，用盐酸调节溶液的ph值为3.7，并在25℃下搅拌24h，得到黄色沉淀。

将黄色沉淀过滤后，滤液在冰浴中继续搅拌12h，然后利用室温挥发法在黑暗中结晶7天，得到无色的p2w17pt2晶体。

所述晶体：基于pt的产率为25%。

所述晶体结构图如图1所示。

步骤2、催化剂的制备

将所获得的p2w17pt2晶体置于高温管式炉中，在ar气氛下，900℃条件下煅烧2h，得到氧空位丰富的铂掺杂氧化钨复合材料，即氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂。

效果检测：

（1）该氧空位丰富的铂掺杂氧化钨复合材料的透射电镜如图2所示。

从图2中可以看出，铂纳米粒子均匀的分布在氧化钨表面。

（2）该氧空位丰富的铂掺杂氧化钨复合材料的o1sxps谱如图3所示。

从图3中可以看出，氧化钨表面含有大量的氧空位。

（3）电化学性能测试：

取2mg氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂分散在4ml异丙醇分散剂中，将混合液超声均匀后涂在玻碳电极表面，采用三电极系统，通过电化学工作站测量该催化剂的her和oer性能，电性能测试结果如图5、6所示。

本发明电解水催化剂的her性能：所制备的催化剂在电流密度为10ma∙cm^-2时，所达到的过电位为28mv。

本发明电解水催化剂的oer性能：所制备的催化剂在电流密度为10ma∙cm^-2时，所达到的过电位为174mv。

图5、6结果表明，所制备的氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂在碱性条件下催化her反应和oer反应中分别只需要28mv和174mv的过电位即可提供10ma·cm^-2的电流密度（如图5、6所示）。

与此同时，将氧空位丰富的铂掺杂氧化钨电解水催化剂直接作电催化水裂解反应的阳极和阴极时，该材料具有优异的催化性能，在10ma·cm^-2时达到1.55v的工作电压（如图7所示），其催化活性远高于商业化的pt/irox催化剂，pt/irox催化剂通常需要大于1.6v的电压才能实现ma·cm^-2的电流密度。甚至优于文献中最新报道的贵金属基催化剂，例如，dou和wang课题组分别报道的ir1@co/nc（laiwh,zhanglf,huawb,etal.angew.chem.int.ed.,2019,58,11868）和co@ir-nc催化剂（lid,zongz,tangz,etal.chem.eng.,2018,6,5105），将水分解成氢气和氧气分别需要1.60v和1.66v的电压。

本发明在pt含量1.58wt%的低pt含量前提下，催化将水分解成氢气和氧气仅需要1.55v的电压。

此外，在催化反应10小时后本发明催化剂的催化性能保持基本不变（如图8所示），电催化反应10h后，电位依然保持在初始电位的6.7%。证明催化剂在水裂解过程中具有优异的稳定性。

除非特殊说明和本领域常用单位，本发明所述比例，均为质量比例，所述百分比，均为质量百分比。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。