CN110635143B - 一种用于电催化反应的高活性催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于电催化反应的高活性催化剂及其制备方法，催化剂是具有磁铅石MP型或β‑Al2O3型六铝酸盐结构的复合金属氧化物，通式为A1‑ xBxMyAl12‑yO19‑α或A1‑xBxMyAl12‑yO17‑α，其中A为镧，B为钡，M为二价金属离子锰和钴中的一种，0≤x≤1，0＜y≤2；该氧化物可根据化学反应特点通过化学剪裁的方式设计出适用于电催化反应的高活性六铝酸盐催化剂。制备方法为：首先以硝酸镧或/和硝酸钡、硝酸铝以及硝酸锰或硝酸钴为前驱体，配制前驱体溶液，然后以碳酸铵作为沉淀剂进行共沉淀，再经老化、抽滤、洗涤、干燥、焙烧得到六铝酸盐粉体，最后将粉体超声分散在异丙醇溶剂中制备催化剂油墨，通过旋转圆盘测试系统测试催化剂的氧化还原活性。该催化剂具有环境友好、成本低和制备简单等优点。

Description

一种用于电催化反应的高活性催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及电催化反应的高活性催化剂技术领域，具体涉及一种用于电催化反应的高活性催化剂及其制备方法。
背景技术
近年来随着我国经济的快速发展，能源消费总量呈不断增长趋势。目前我国石油资源的储量相对匮乏，且开发难度较大，对外依存度高达60％以上，煤炭资源在我国虽然丰富，但在使用过程中会产生大量的含硫、含氮等有害气体以及大量烟尘，对环境保护带来巨大的挑战，因此，发展无污染且可循环使用的能源技术已成为我国能源利用的大势所趋。
燃料电池是一种通过化学反应将化学能转化为电能的装置，是继水力发电，火力发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池没有燃烧过程，直接通过催化剂催化燃料与氧气发生反应将化学能转化为电能，能源效率高达70％，并且产物多为水对环境损害极低。因此不受卡诺循环的限制，且具有环保和高效的优点。同时在制作工艺和材料发展上的巨大优势又使得燃料电池成为一种在传统发电的基础上更有竞争力的课题。
尽管燃料电池在一些方面有着较大的优越性，但在寿命、稳定性等方面还存在着诸多问题，而且虽然燃料电池在19世纪就开始研究了，但是因其较高的成本直到现在才接近商业化。在燃料电池中，氧气在阴极发生还原反应。在此过程中由于阴极缓慢的动力学，传质障碍以及内在欧姆电阻的存在，其输出电压远低于理论值，因此需要发生在超高电势下。目前多种电催化材料已被用作阴极催化剂，包括贵金属催化剂及其合金、过渡金属氧化物催化剂、金属大环化合物催化剂和碳质材料，其中贵金属Pt基催化剂仍然是目前燃料电池催化剂的主要选择，但Pt基催化剂的成本过高，廉价金属催化剂的开发更有利于降低催化剂的成本，降低燃料电池的成本，利于其商业化。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种用于电催化反应的高活性催化剂及其制备方法，采用廉价的金属制备高活性的复合金属氧化物催化剂，降低燃料电池的成本，并解决燃料电池阴极动力学缓慢的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于电催化反应的高活性催化剂，所述催化剂是具有磁铅石MP型或β-Al2O3型六铝酸盐结构的复合金属氧化物，结构通式为：MP型：A1-xBxMyAl12-yO19-α或β-Al2O3型：A1- xBxMyAl12-yO17-α，其中，A为镧，B为钡，M为二价金属离子猛锰和钴中的一种，0≤x≤1，0＜y≤2；该复合金属氧化物可根据化学反应的特点通过化学剪裁的方式设计出适用于电催化反应的高活性六铝酸盐催化剂，该催化剂在旋转圆盘电极(RDE)测试中展现出较强的电催化还原活性。
所述通过化学剪裁的方式设计具体为：结构通式：MP型：A1-xBxMyAl12-yO19-α或β-Al2O3型：A1-xBxMyAl12-yO17-α的复合金属氧化物的结构中A位和Al位的元素均可以被稀土金属和过渡金属分别取代，并且取代量可以调控，即元素的价态、比例、空位含量均可以在较大范围内进行调节。
所述的用于电催化反应的高活性催化剂通过以下过程制备：
1)将硝酸镧或/和硝酸钡、硝酸锰或硝酸钴以及硝酸铝按照其中镧、钡、锰或钴、铝摩尔比为1-x:x:y:12-y分别溶于去离子水中，得到各自的前驱体溶液，然后将除硝酸铝以外的上述前驱体溶液混合均匀，用硝酸调节混合溶液的pH值为1～2，然后加入硝酸铝前驱体溶液混合均匀；
2)将加入硝酸铝前驱体溶液的混合溶液迅速加入到饱和碳酸铵溶液中，加热搅拌均匀后，静置老化，过滤得到沉淀，将沉淀干燥后，研磨得到前驱体粉末，然后于马弗炉中焙烧，最后自然降至室温后，得到六铝酸盐粉体；
3)将六铝酸盐粉体在异丙醇溶剂中超声分散后得到用于电催化反应的六铝酸盐高活性催化剂。
所述步骤1)中硝酸镧或/和硝酸钡、硝酸铝以及硝酸锰或硝酸钴均是溶于50～90℃的去离子水中，在此温度范围内各硝酸盐可以完全溶解，混合均匀。
所述步骤1)中硝酸镧溶液或/和硝酸钡溶液、硝酸铝溶液以及硝酸锰或硝酸钴溶液的浓度均为0.8～1.2mol/L，在此浓度范围内沉淀更加均匀。
所述步骤1)中用硝酸调节混合溶液的pH值为1～2，在此pH范围利于后期沉淀反应。
所述步骤2)中饱和碳酸铵溶液与混合溶液的量的关系为使得碳酸铵溶液中碳酸铵的加入量为沉淀镧或/和钡、铝以及锰或钴所需含摩尔量的1.0～2.0倍，以保证沉淀完全。
所述步骤2)中加热搅拌温度为50～90℃，搅拌速度为400～800r/min，搅拌时间为4～8h，在此搅拌条件下，沉淀可以更加均匀。
所述步骤2)中静置老化时间为1～2h。
所述步骤2)中沉淀干燥温度为100～120℃，干燥时间为12～24h，在此干燥条件可以干燥彻底。
所述步骤2)中前驱体粉末先于马弗炉中400～600℃下焙烧3～5h，再于1000～1300℃下焙烧3～5h，在此焙烧条件可以形成六铝酸盐晶相。
所述步骤3)中六铝酸盐粉体在无水乙醇溶剂中超声分散时间为1～2h，在此超声分散时间范围内可以分散均匀。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明以硝酸镧或(和)硝酸钡、硝酸铝、硝酸锰或硝酸钴为前驱体，配制相应的前驱体溶液，将除硝酸铝以外的上述前驱体溶液混合后，用硝酸溶液调节pH值，然后再加入硝酸铝溶液混合均匀；采用饱和碳酸铵溶液作为沉淀剂，将混合溶液加入饱和碳酸铵溶液中进行共沉淀，再经老化、抽滤、洗涤、干燥、焙烧，得到具有磁铅石型或β-Al2O3型六铝酸盐结构的复合氧化物粉体；最后将粉体超声分散在异丙醇溶剂中制备成催化剂。本发明的制备方法简单，环境友好，易于工业化生产。
(2)本发明制备催化剂时，采用了非贵金属元素，降低了燃料电池催化剂的成本，利于推动燃料电池的商业化。
(3)本发明制备六铝酸盐粉体时，利用六铝酸盐(磁铅石型结构：MP型：A1- xBxMyAl12-yO19-α或β-Al2O3型：A1-xBxMyAl12-yO17-α)晶格中A位和Al位可以部分或完全被取代，并且其元素的价态、比例、空位含量均可以在较大范围内进行调节，然后根据化学反应的特点以及对催化剂的需求，通过化学剪裁的方式设计出了高催化活性锰/钴掺杂的六铝酸盐催化剂。
(4)本发明制得的六铝酸盐催化剂通过旋转圆盘系统(PINE)进行测试，增强的氧还原峰和往正方向偏移的起始电位都能证明其具有相对较强的电催化还原活性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的催化剂的X射线粉末衍射谱图。
图2为本发明实施例1制备的催化剂的循环伏安曲线图。
图3为本发明实施例2制备的催化剂的X射线粉末衍射谱图。
图4为本发明实施例2制备的催化剂的循环伏安曲线图。
图5为本发明实施例3制备的催化剂的X射线粉末衍射谱图。
图6为本发明实施例3制备的催化剂的循环伏安曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不限于下列实例。
实施例1
制备锰掺杂的镧系六铝酸盐(LaMnAl11O19和LaMn2Al10O19)催化剂。步骤如下：
首先将硝酸镧前驱体、硝酸锰前驱体和硝酸铝前驱体按照比例分别溶于70℃的去离子水中，得到1.1mol/L的前驱体溶液。然后将除硝酸铝以外的上述前驱体溶液混合均匀，用硝酸调节混合溶液的pH值等于1，然后加入硝酸铝前驱体溶液混合均匀后迅速加入到过量的饱和碳酸铵溶液中，在70℃下以转速600r/min搅拌6h，而后静置老化1.5h，过滤洗涤得到沉淀，于120℃下干燥12h，研磨转至马弗炉中于500℃下煅烧4h，再于1100℃下煅烧4h，自然降至室温即可得到六铝酸盐粉体。最后将所得六铝酸盐粉体在异丙醇溶剂中超声分散2h，得到六铝酸盐催化剂。其中，饱和碳酸铵的量为硝酸镧、硝酸锰和硝酸铝与碳酸铵按化学摩尔比完全反应时所需的碳酸铵的摩尔量的1.5倍。
实施例2
制备钴掺杂的镧系六铝酸盐(LaCoAl11O19)催化剂。步骤如下：
首先将硝酸镧、硝酸钴和硝酸铝按照比例分别溶于50℃的去离子水中，得到1mol/L的前驱体溶液。然后将除硝酸铝以外的上述前驱体溶液混合均匀，用硝酸调节混合溶液的pH值等于2，然后加入硝酸铝前驱体溶液混合均匀后迅速加入到过量的饱和碳酸铵溶液中，在50℃下以转速400r/min搅拌8h，而后静置老化1.5h，过滤洗涤得到沉淀，于100℃下干燥24h，研磨转至马弗炉中于400℃下煅烧4h，再于1000℃下煅烧5h，自然降至室温即可得到六铝酸盐粉体。最后将所得六铝酸盐粉体在异丙醇溶剂中超声分散2h，得到六铝酸盐催化剂。其中，饱和碳酸铵的量为硝酸镧、硝酸锰和硝酸铝与碳酸铵按化学摩尔比完全反应时所需的碳酸铵的摩尔量的2倍。
实施例3
制备锰掺杂的钡系六铝酸盐(BaMn2Al10O19)催化剂。步骤如下：
首先将硝酸钡、硝酸锰和硝酸铝按照比例分别溶于90℃的去离子水中，得到1.2mol/L的前驱体溶液。然后将除硝酸铝以外的上述前驱体溶液混合均匀，用硝酸调节混合溶液的pH值等于1.5，然后加入硝酸铝前驱体溶液混合均匀后迅速加入到过量的饱和碳酸铵溶液中，在90℃下以转速800r/min搅拌4h，而后静置老化1h，过滤洗涤得到沉淀，于110℃下干燥18h，研磨转至马弗炉中于600℃下煅烧3h，再于1300℃下煅烧3h，自然降至室温即可得到六铝酸盐粉体。最后将所得六铝酸盐粉体在异丙醇溶剂中超声分散1h，得到六铝酸盐催化剂。其中，饱和碳酸铵的量为硝酸钡、硝酸锰和硝酸铝与碳酸铵按化学摩尔比完全反应时所需的碳酸铵的摩尔量的1倍。
实施例4
制备钴掺杂的钡系六铝酸盐(BaCo2Al10O19)催化剂。步骤如下：
首先将硝酸钡、硝酸钴和硝酸铝按照比例分别溶于90℃的去离子水中，得到1.2mol/L的前驱体溶液。然后将除硝酸铝以外的上述前驱体溶液混合均匀，用硝酸调节混合溶液的pH值等于1，然后加入硝酸铝前驱体溶液混合均匀后迅速加入到过量的饱和碳酸铵溶液中，在90℃下以转速800r/min搅拌4h，而后静置老化1h，过滤洗涤得到沉淀，于110℃下干燥18h，研磨转至马弗炉中于400℃下煅烧5h，再于1300℃下煅烧3h，自然降至室温即可得到六铝酸盐粉体。最后将所得六铝酸盐粉体在异丙醇溶剂中超声分散1h，得到六铝酸盐催化剂。其中，饱和碳酸铵的量为硝酸钡、硝酸钴和硝酸铝与碳酸铵按化学摩尔比完全反应时所需的碳酸铵的摩尔量的1倍。
实施例5
制备锰掺杂的六铝酸盐(La0.8Ba0.2Mn2Al10O19)催化剂。步骤如下：
首先将硝酸镧、硝酸钡、硝酸锰和硝酸铝按照比例分别溶于60℃的去离子水中，得到0.8mol/L的前驱体溶液。然后将除硝酸铝以外的上述前驱体溶液混合均匀，用硝酸调节混合溶液的pH值等于1，然后加入硝酸铝前驱体溶液混合均匀后迅速加入到过量的饱和碳酸铵溶液中，在60℃下以转速600r/min搅拌6h，而后静置老化2h，过滤洗涤得到沉淀，于120℃下干燥12h，研磨转至马弗炉中于500℃下煅烧4h，再于1200℃下煅烧3h，自然降至室温即可得到六铝酸盐粉体。最后将所得六铝酸盐粉体在异丙醇溶剂中超声分散1.5h，得到六铝酸盐催化剂。其中，饱和碳酸铵的量为硝酸镧、硝酸钡、硝酸锰和硝酸铝与碳酸铵按化学摩尔比完全反应时所需的碳酸铵的摩尔量的1.2倍。
实施例6
制备钴掺杂的六铝酸盐(La0.8Ba0.2Co2Al10O19)催化剂。步骤如下：
首先将硝酸镧、硝酸钡、硝酸钴和硝酸铝按照比例分别溶于50℃的去离子水中，得到1mol/L的前驱体溶液。然后将除硝酸铝以外的上述前驱体溶液混合均匀，用硝酸调节混合溶液的pH值等于1，然后加入硝酸铝前驱体溶液混合均匀后迅速加入到过量的饱和碳酸铵溶液中，在50℃下以转速600r/min搅拌6h，而后静置老化2h，过滤洗涤得到沉淀，于120℃下干燥12h，研磨转至马弗炉中于500℃下煅烧4h，再于1100℃下煅烧4h，自然降至室温即可得到六铝酸盐粉体。最后将所得六铝酸盐粉体在异丙醇溶剂中超声分散1.5h，得到六铝酸盐催化剂。其中，饱和碳酸铵的量为硝酸镧、硝酸钡、硝酸锰和硝酸铝与碳酸铵按化学摩尔比完全反应时所需的碳酸铵的摩尔量的1.2倍。
对实施例1、实施例2、实施例3、制备的催化剂分别进行了以下测试：
1.X射线衍射测试晶相结构：
对实施例1制备的锰掺杂的镧系六铝酸盐(LaMnAl11O19和LaMn2Al10O19)催化剂的X射线衍射测试在日本理学公司的变温X射线衍射仪SmartLAB SE上进行。X射线衍射测试结果如图1所示。
从图1可以看出，本发明实施例1制备的LaMnAl11O19和LaMn2Al10O19催化剂呈现MP型六铝酸盐晶相，并且在此过程中无其他锰的氧化物生成，说明Mn2+取代Al3+进入六铝酸盐晶格中。
2.氧化还原活性测试：
实施例1制备的锰掺杂的镧系六铝酸盐(LaMnAl11O19和LaMn2Al10O19)催化剂采用美国PHYCHEMI公司的旋转盘测试系统(PINE)测试得到催化剂的循环伏安曲线，从而得到催化剂的氧化还原活性，循环伏安曲线图如图2所示。
从图2可以看出，从图中可以看出随着低价态锰物种掺入量得增加，其还原峰强度出现明显增强趋势，氧化峰呈现小幅度下降。对其电压区间进行考察发现LaMn2Al0O19催化剂还原峰右移，电压区间增加，体现了锰掺杂的镧系六铝酸盐催化剂具有较强的电催化还原活性。
3.X射线衍射测试晶相结构：
对实施例2制备的钴掺杂的镧系六铝酸盐(LaCoAl11O19)催化剂的X射线衍射测试在日本理学公司的变温X射线衍射仪SmartLAB SE上进行。X射线衍射测试结果如图3所示。
从图3可以看出，本发明实施例1制备的LaCoAl11O19催化剂呈现MP型六铝酸盐晶相，并且在此过程中无其他钴的氧化物生成，说明Co2+取代Al3+完全进入MP型六铝酸盐晶格中。
4.氧化还原活性测试：
实施例2制备的钴掺杂的镧系六铝酸盐(LaCoAl11O19)催化剂采用美国PHYCHEMI公司的旋转盘测试系统(PINE)测试得到催化剂的循环伏安曲线，从而得到催化剂的氧化还原活性，循环伏安曲线图如图4所示。
从图4可以看出，从图中可以看出在-0.45V～-0.15V的电位范围内，LaCoAl11O19催化剂出现明显的还原峰，钴掺杂的镧系六铝酸盐催化剂表现出了明显的电催化还原活性。
5.X射线衍射测试晶相结构：
对实施例3制备的锰掺杂的钡系六铝酸盐(BaMn2Al10O19)催化剂的X射线衍射测试在日本理学公司的变温X射线衍射仪SmartLAB SE上进行。X射线衍射测试结果如图5所示。
从图5可以看出，本发明实施例3制备的BaMn2Al10O19催化剂主要呈现β-Al2O3型六铝酸盐晶相，并且在此过程中观察到BaAl2O4和MnAl2O4尖晶石相，说明Mn2+取代Al3+部分进入β-Al2O3型六铝酸盐晶格中，并且部分Ba2+和Al3+溢出β-Al2O3型六铝酸盐晶格晶格形成尖晶石相。
6.氧化还原活性测试：
实施例3制备的锰掺杂的钡系六铝酸盐(BaMn2Al10O19)催化剂采用美国PHYCHEMI公司的旋转盘测试系统(PINE)测试得到催化剂的循环伏安曲线，从而得到催化剂的氧化还原活性，循环伏安曲线图如图6所示。
从图6可以看出，从图中可以看出在-0.60V～-0.15V的电位范围内，BaMn2Al10O19催化剂出现了较强的还原峰，说明锰掺杂的钡系六铝酸盐催化剂表现出了较强的电催化还原活性。
本发明制得的锰/钴掺杂六铝酸盐催化剂在使用时，当M金属离子是二价锰离子时，x＝0，y＝1，2；当M金属离子是二价钴离子时，x＝0，y＝1；当M金属离子为二价锰离子，x＝1，y＝2；三种六铝酸盐催化剂表现出明显的电催化还原活性。

Claims (9)

1.一种催化剂在电催化氧还原中的应用，其特征在于：所述催化剂是具有磁铅石MP型或β-Al2O3型六铝酸盐结构的复合金属氧化物，结构通式为：MP型：A1-xBxMyAl12-yO19-α或β-Al2O3型：A1-xBxMyAl12-yO17-α，其中，A为镧，B为钡，M为二价金属离子锰和钴中的一种，0≤x≤1，0＜y≤2；该复合金属氧化物根据化学反应的特点通过化学剪裁的方式设计出适用于电催化反应的六铝酸盐催化剂，该催化剂在旋转圆盘电极RDE测试中展现出电催化还原活性；
所述催化剂的制备方法，通过以下步骤制备：
1）将硝酸镧或/和硝酸钡、硝酸锰或硝酸钴以及硝酸铝按照其中镧、钡、锰或钴、铝摩尔比为1-x:x:y:12-y分别溶于去离子水中，得到各自的前驱体溶液，然后将除硝酸铝以外的上述前驱体溶液混合均匀，调节混合溶液的pH值为1 ~ 2，然后加入硝酸铝前驱体溶液混合均匀；
2）将加入硝酸铝前驱体溶液的混合溶液迅速加入到饱和碳酸铵溶液中，加热搅拌均匀后，静置老化，过滤得到沉淀，将沉淀干燥后，研磨得到前驱体粉末，然后置于马弗炉中焙烧，最后自然降至室温后，得到六铝酸盐粉体；
3）将六铝酸盐粉体在异丙醇溶剂中超声分散后得到用于电催化反应的六铝酸盐高活性催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种催化剂在电催化氧还原中的应用，其特征在于：所述通过化学剪裁的方式设计具体为：结构通式：MP型：A1-xBxMyAl12-yO19-α或β-Al2O3型：A1-xBxMyAl12- yO17-α的复合金属氧化物的结构中A位和Al位的元素被稀土金属和过渡金属分别取代，并且取代量能够调控，即元素的价态、比例、空位含量均能够大范围调节。
3.根据权利要求1所述的一种催化剂在电催化氧还原中的应用，其特征在于：所述步骤1）中硝酸镧或/和硝酸钡、硝酸铝以及硝酸锰或硝酸钴均溶于50 ~ 90℃的去离子水中。
4.根据权利要求1所述的一种催化剂在电催化氧还原中的应用，其特征在于：所述步骤1）中得到的硝酸镧前驱体溶液或/和硝酸钡前驱体溶液以及硝酸铝前驱体溶液、硝酸锰前驱体或硝酸钴前驱体溶液的浓度均为0.8 ~ 1.2 mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种催化剂在电催化氧还原中的应用，其特征在于：所述步骤1）中用硝酸调节混合溶液的pH值为1~ 2。
6.根据权利要求1所述的一种催化剂在电催化氧还原中的应用，其特征在于：所述步骤2）中饱和碳酸铵溶液与混合溶液的量的关系为使得碳酸铵溶液中碳酸铵的加入量为沉淀镧或/和钡、铝以及锰或钴所需摩尔量的1.0~ 2.0倍。
7.根据权利要求1所述的一种催化剂在电催化氧还原中的应用，其特征在于：所述步骤2）中加热搅拌温度为50 ~ 90℃，搅拌速度为400 ~ 800 r/min，搅拌时间为4 ~ 8 h；所述步骤2）中静置老化时间为1~ 2 h；所述步骤2）中沉淀干燥温度为100 ~120 ℃，干燥时间为12 ~ 24 h。
8.根据权利要求1所述的一种催化剂在电催化氧还原中的应用，其特征在于：所述步骤2）中前驱体粉末先于马弗炉中400 ~ 600℃下焙烧3 ~ 5 h，再于1000 ~ 1300℃下焙烧3 ~5 h。
9.根据权利要求1所述的一种催化剂在电催化氧还原中的应用，其特征在于：所述步骤3）中六铝酸盐粉体在异丙醇溶剂中超声分散时间为1 ~ 2h。
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