本發(fā)明總體上涉及材料科學(xué)領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及作為超高效但低成本的高度畸變的鉑(pt)納米膜催化劑。

背景技術(shù)：

1、近年來，人們對可持續(xù)經(jīng)濟(jì)的追求越來越高，并且電化學(xué)水電解/分解技術(shù)作為一種極具吸引力的方法，引起了廣泛關(guān)注。這種方法包含了如動力學(xué)快速和氫氣純度高等優(yōu)點(diǎn)。通過將水分子分解成氫氣和氧氣，電化學(xué)水電解為氫能源生產(chǎn)提供了一種環(huán)保且可再生的方法，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴，并且具有環(huán)境友好型。

2、然而，盡管所述電化學(xué)水電解具有巨大的潛力，但缺乏經(jīng)濟(jì)高效且穩(wěn)定的催化劑一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。催化劑在電化學(xué)水電解中起著至關(guān)重要的作用。催化劑可以降低能源需求，提高反應(yīng)速率并且改善化學(xué)反應(yīng)的選擇性，由此實(shí)現(xiàn)更高效的水電解過程。鉑(pt)因其合適的結(jié)合能而被譽(yù)為用于析氫反應(yīng)(her)的最佳催化劑之一。鉑展現(xiàn)出優(yōu)異的特征，包含低過電位和高電流密度。然而，pt的稀缺性和高成本限制了其廣泛應(yīng)用。

3、迄今為止，為了最大化pt的催化潛力，已經(jīng)開發(fā)出了各種合成策略，如濕化學(xué)方法和原子層沉積(ald)。例如，tiwari等人1按照涉及研磨、750℃加熱、酸浸和電化學(xué)沉積等多步工藝，合成了一種具有超低pt負(fù)載量的多組分催化劑，所述催化劑負(fù)載在三聚氰胺衍生的石墨管上。liu等人2通過在160℃下將爆轟法納米金剛石(dnd)粉末氧化24小時，然后進(jìn)行熱脫氧，再用hno3氧化4小時，并且最后通過ald將pt沉積到彎曲碳上形成原子級分散的pt。雖然現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)取得了有前景的結(jié)果，但這些方法通常需要高溫環(huán)境和/或昂貴的設(shè)備，從而導(dǎo)致高能耗和高成本。另外，生產(chǎn)的產(chǎn)率相對較低，這就突出了開發(fā)一種具有高產(chǎn)率和成本效益高的催化劑的重要性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、現(xiàn)有催化劑通常成本高、穩(wěn)定性差、活性不足，限制了電化學(xué)水電解技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化。因此，本發(fā)明的目的是提供一系列金屬基的納米膜電催化劑，所述金屬基的納米膜電催化劑展現(xiàn)出通過納米級無定形碳界面接合在一起的高度畸變的金屬納米晶體。

2、具體地，在第一方面，本發(fā)明提供了一種用于可持續(xù)制氫的大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑，其包含具有晶格膨脹的一個或多個金屬納米晶體。所述一個或多個金屬納米晶體包括高度畸變的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，并且它們通過納米級無定形碳界面接合在一起。在所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑中誘導(dǎo)晶格畸變和異質(zhì)應(yīng)變，以增強(qiáng)析氫反應(yīng)性能。

3、在一個實(shí)施例中，大面積自支撐金屬基納米膜展示出局部電導(dǎo)率的異質(zhì)分布，所述大面積自支撐金屬基納米膜的特征在于高導(dǎo)電性納米疇被導(dǎo)電性較低的區(qū)包圍。

4、在一個實(shí)施例中，所述高度畸變的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)包含fcc納米晶體和位于fcc納米晶體簇之間的無定形區(qū)。

5、在一個實(shí)施例中，金屬選自金、鉑、銀、鈦、鈀、釕、銥或其它高熵合金、或其組合。

6、在另一個實(shí)施例中，所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑包含20-80at％的鉑、10-50at％的碳和1-30at％的氧。

7、在一個實(shí)施例中，所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑的厚度在1納米至30納米的范圍內(nèi)，并且所述一個或多個金屬納米晶體的平均大小介于1納米與10納米之間。

8、在一個實(shí)施例中，所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑是不含粘合劑的。

9、在一個實(shí)施例中，所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑通過聚合物表面屈曲剝離來合成，所述聚合物表面屈曲剝離包含：使用襯底上的聚合物層作為用于支撐金屬膜的支架；在聚合物表面上誘導(dǎo)受控屈曲；以及對所述金屬膜進(jìn)行剝離，以獲得所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑。

10、在一個實(shí)施例中，所述襯底包括玻璃板或硅晶圓。聚合物包括聚乙烯醇。

11、在一個實(shí)施例中，所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑展現(xiàn)出小于30mv的η10值。

12、優(yōu)選地，所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑展現(xiàn)出26mv至29mv的η10值。

13、在一個實(shí)施例中，所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑展現(xiàn)出在30mv/dec至37mv/dec的范圍內(nèi)的塔菲爾斜率(tafel?slope)。

14、另一方面，所述大面積自支撐金屬基納米膜電催化劑具有許多潛在的應(yīng)用，特別是作為催化劑。例如，所述催化劑可以用于水分解裝置。除了水分解裝置外，本發(fā)明還可適用于燃料電池中的電催化劑合成。

15、本發(fā)明的pt納米膜具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)出色的her性能；(2)開發(fā)高效和低成本低維電催化劑的有前景的方法；(3)易于制造；(4)穩(wěn)定性好；(5)不含粘合劑。

技術(shù)特征：

1.一種用于可持續(xù)制氫的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其特征在于，所述自支撐金屬基納米膜電催化劑包括具有晶格膨脹的一個或多個金屬納米晶體，其中所述一個或多個金屬納米晶體包括高度畸變的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，所述一個或多個金屬納米晶體通過納米級無定形碳界面接合在一起，并且在所述自支撐金屬基納米膜電催化劑中誘導(dǎo)晶格畸變和異質(zhì)應(yīng)變，以增強(qiáng)析氫反應(yīng)性能。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述自支撐金屬基納米膜自支撐金屬基納米膜展示出局部電導(dǎo)率的異質(zhì)分布，所述自支撐金屬基納米膜的特征在于高導(dǎo)電性納米疇被導(dǎo)電性較低的區(qū)包圍。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述高度畸變的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)包括fcc納米晶體和位于fcc納米晶體簇之間的無定形區(qū)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述金屬選自金、鉑、銀、鈦、鈀、釕、銥或其它高熵合金、或其組合。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述自支撐金屬基納米膜電催化劑包括20-80at％的鉑、10-50at％的碳和1-30at％的氧。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述自支撐金屬基納米膜電催化劑的厚度在1納米至30納米的范圍內(nèi)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述一個或多個金屬納米晶體的平均大小介于1納米與10納米之間。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述自支撐金屬基納米膜電催化劑不含粘合劑。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述自支撐金屬基納米膜電催化劑通過聚合物表面屈曲剝離來合成。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述聚合物表面屈曲剝離包括以下步驟：使用襯底上的聚合物層作為用于支撐金屬膜的支架；在聚合物表面上誘導(dǎo)受控屈曲；以及對所述金屬膜進(jìn)行剝離，以獲得所述自支撐金屬基納米膜電催化劑。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述襯底包括玻璃板或硅晶圓。

12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述聚合物包括聚乙烯醇。

13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述自支撐金屬基納米膜電催化劑展現(xiàn)出小于30mv的η10值。

14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑，其中所述自支撐金屬基納米膜電催化劑展現(xiàn)出在30mv/dec至37mv/dec的范圍內(nèi)的塔菲爾斜率。

15.一種水分解裝置，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑。

16.一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的自支撐金屬基納米膜電催化劑。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種用于制造超薄Pt納米膜的易于實(shí)施的方法，所述超薄Pt納米膜催化HER的成本顯著低于商用Pt/C，并且與非貴金屬電催化劑相當(dāng)。這些Pt納米膜由高度畸變的Pt納米晶體組成，并且展現(xiàn)出異質(zhì)彈性應(yīng)變場，在常規(guī)晶體中很少見到的特性。與各種形式的Pt電催化劑，包含Pt/C、Pt箔和許多Pt單原子或單簇催化劑相比，此獨(dú)特特征產(chǎn)生了顯著更高的電催化效率。

技術(shù)研發(fā)人員：楊勇,高翔,滕云,樸民赫
受保護(hù)的技術(shù)使用者：香港城市大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30