一种高效铱基电解水双功能催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高效铱基电解水双功能催化剂及其制备方法和应用，双功能催化剂包含氮掺杂的碳材料和负载在氮掺杂的碳材料上的铱纳米颗粒，所述双功能催化剂中金属铱的质量百分比小于10％，所述双功能催化剂同时具备良好的析氢和析氧催化活性，同时其制备方法简单，容易操作，在电解水制备氢气与氧气的过程中有良好的催化效果，具有广阔的市场前景。

An efficient iridium-based bifunctional catalyst for water electrolysis and its preparation method and Application

The invention discloses an efficient iridium-based bifunctional catalyst for electrolytic water and its preparation method and application. The bifunctional catalyst comprises nitrogen-doped carbon materials and iridium nanoparticles supported on nitrogen-doped carbon materials. The mass percentage of iridium in the bifunctional catalyst is less than 10%. The bifunctional catalyst has good catalytic activity for hydrogen and oxygen evolution at the same time. The preparation method is simple and easy to operate. It has good catalytic effect in the process of preparing hydrogen and oxygen from electrolytic water and has broad market prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种高效铱基电解水双功能催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于新能源材料领域，具体涉及一种高效铱基电解水双功能催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
电解水是制备氢气的有效方法，是未来可持续能源供应系统中的重要一环，电解水的两个半反应分别是阴极的氢气析出反应(析氢反应)和阳极的氧气析出反应(析氧反应)。目前电解水技术存在过电位高、电能利用效率低等缺点，因此发展高效电解水催化剂(包括析氢催化剂和析氧催化剂)是非常重要。目前最好的析氢催化剂是贵金属铂(Pt)；而对析氧催化剂而言，碱性环境中以过渡金属铁镍的(氢)氧化物为佳，而酸性环境下必须采用贵金属铱或钌或它们的氧化物为催化剂。由此可见，电解水催化剂均已贵金属为主，而它们的活性及稳定性均需要进一步提高，同时大幅降低其负载量也非常重要。另外鲜有催化剂能同时具备良好的析氢和析氧催化活性。因此需要研发一种负载量低、能够同时具备良好的析氢和析氧催化活性的电解水双功能催化剂。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种高效铱基电解水双功能催化剂；本专利技术的目的之二在于提供一种高效铱基电解水双功能催化剂的制备方法；本专利技术的目的之二在于提供一种高效铱基电解水双功能催化剂在催化水电解制备氢气和/或氧气方面的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：1、一种高效铱基电解水双功能催化剂，所述双功能催化剂包含氮掺杂的碳材料和负载在氮掺杂的碳材料上的铱纳米颗粒，所述双功能催化剂中金属铱的质量百分比小于10％，所述双功能催化剂同时具备良好的析氢和析氧催化活性。优选的，所述碳材料包含炭黑、活性炭、氧化碳纳米管或者氧化石墨烯中的任意一种。2、上述一种高效铱基电解水双功能催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)制备聚多巴胺修饰的碳材料分散液：在碳材料表面生长一层聚多巴胺薄膜，得到聚多巴胺修饰的碳材料分散液；(2)制备高效铱基电解水双功能催化剂：向步骤(1)中聚多巴胺修饰的碳材料分散液中加入去离子水，超声分散后缓慢加入IrCl3·3H2O溶液，在常温下搅拌10分钟或以上后离心，用去离子水洗涤1～3次后进行冷冻干燥，再将冷冻干燥后的产物在氩气气氛下750℃处理1～3小时，即可得终产物即高效铱基电解水双功能催化剂。优选的，步骤(1)中所述在碳材料表面生长一层聚多巴胺薄膜的具体操作为：将碳材料分散于pH为6～10的溶液中，超声使之形成均匀分散溶液，再加入多巴胺，室温搅拌15～24h后进行离心，去离子水洗涤1～3次后即可得到聚多巴胺修饰的碳材料分散液。优选的，所述碳材料在pH为6～10的溶液中的浓度为0.1～5mg/mL，所述多巴胺在pH为6～10的溶液中的浓度为0.1～10mg/mL。优选的，所述pH为6～10的溶液为Tris缓冲液、PBS缓冲液或者乙醇水溶液。优选的，步骤(2)中所述聚多巴胺修饰的碳材料的浓度为0.1～10mg/mL，所述IrCl3·3H2O的浓度为0.02～5mg/mL。优选的，所述离心的时间为1～30min，所述离心的转速为1000～17000rmp。优选的，所述冷冻干燥的在冷冻真空干燥仪中进行，所述冷冻干燥的在冷冻真空干燥仪中进行，所述冷冻干燥的温度为-80～-5℃，所述冷冻干燥的时间为1～12h，所述冷冻干燥是的气压为0.01～0.9MPa。3、上述一种高效铱基电解水双功能催化剂在催化水电解制备氢气和/或氧气方面的应用。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术公开了一种高效铱基电解水双功能催化剂，将铱纳米颗粒负载在氮掺杂的碳材料上形成一种复合物催化剂，贵金属Ir的含量低，却同时具备良好的析氢和析氧催化活性，应用于电解水的两个半反应中能够催化反应，在阴极析出氢气，在阳极析出氧气，从而简化电解池的结构设计；2、本专利技术公开的一种高效铱基电解水双功能催化剂在酸性和碱性电解液中，表现出的析氢催化活性和稳定性均优于商品化的铂碳催化剂及其它对照催化剂；3、本专利技术公开的一种高效铱基电解水双功能催化剂在酸性和碱性电解液中，表现出的析氧催化活性和稳定性均优于商品化的铱黑催化剂及其它对照催化剂；4、本专利技术还公开一种高效铱基电解水双功能催化剂的制备方法，具有制备工艺简单，可操作性强，适用于工业应用。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图：图1为实施例1中制备得到的Ir@N-G双功能催化剂的XRD图；图2为实施例1中制备得到的Ir@N-G双功能催化剂的SEM图；图3为实施例1中制备得到的Ir@N-G双功能催化剂的TEM图和选区电子衍射图；图4为实施例1中制备得到的Ir@N-G双功能催化剂的BET曲线和孔径分布图；图5为不同催化剂的析氢催化活性，其中a为0.5M硫酸溶液中的催化活性，b为1.0M氢氧化钾溶液的催化活性；图6为不同催化剂的析氧催化活性，其中a为0.5M硫酸溶液中的催化活性，b为1.0M氢氧化钾溶液的催化活性；图7为不同催化剂的析氢析氧双功能催化活性，其中a为1.0M氢氧化钾溶液的催化活性，b为0.5M硫酸溶液中的催化活性；图8为不同催化剂的作为析氢析氧双功能催化剂催化20mA·cm-2全解水时的时间-槽压曲线图，其中a为0.5M硫酸溶液中的催化活性，b为1.0M氢氧化钾溶液的催化活性。具体实施方式下面将对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。实施例1制备一种高效铱基电解水双功能催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)制备氧化石墨烯(GO)：用石墨通过化学氧化剥离法制备氧化石墨烯GO；(2)制备聚多巴胺修饰的氧化石墨烯(PDA-GO)分散液：将0.5g氧化石墨烯(GO)分散于10mM的pH为8.5的Tris-buffer缓冲液500mL中，超声使之形成均匀分散溶液，再加入1g多巴胺(PDA)，室温搅拌2h后进行离心，去离子水洗涤后即可得到聚多巴胺修饰的氧化石墨烯(PDA-GO)；(3)制备高效铱基电解水双功能催化剂(Ir@N-G)：向步骤(2)中聚多巴胺修饰的氧化石墨烯分散液加入225mL去离子水，超声分散后缓慢加入含有0.025gIrCl3·3H2O的IrCl3·3H2O溶液，在常温下搅拌1h后离心，用去离子水洗涤3次后进行冷冻干燥，再将冷冻干燥后的产物在氩气气氛下750℃处理3小时，升温速度3℃/min，即可得终产物即高效铱基电解水双功能催化剂Ir@N-G。制备得到的高效铱基电解水双功能催化剂Ir@N-G的XRD图如图1所示，其SEM图如图2所示，其TEM图和选区电子衍射图如图3所示，其BET曲线和孔径分布图如图4所示。将实施例1中制备的高效铱基电解水双功能催化剂(Ir@N-G)、商品化铂碳催化剂(Pt/C)，商品化铱黑催化剂(Ir黑)和负载于石墨烯上的铱纳米颗粒(Ir@G)用于同样的0.5M的硫酸溶液进行析氢反应，其中Ir@N-G中贵金属Ir的负载量为11.5μg·cm-2；Pt/C中贵金属Pt的负载量为107μg·cm-2；Ir@G中贵金属Ir的负载量为20.6μg·cm-2；Ir黑中贵金属Ir的负载量为:107μg·cm-2，其催化性能如图5中a所示；用于同样的1.0M的氢氧化钾溶液进行析氢反应的催化性能如图5中b所示。从图5中可以看出在贵金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效铱基电解水双功能催化剂，其特征在于，所述双功能催化剂包含氮掺杂的碳材料和负载在氮掺杂的碳材料上的铱纳米颗粒，所述双功能催化剂中金属铱的质量百分比小于10％，所述双功能催化剂同时具备良好的析氢和析氧催化活性。

【技术特征摘要】
1.一种高效铱基电解水双功能催化剂，其特征在于，所述双功能催化剂包含氮掺杂的碳材料和负载在氮掺杂的碳材料上的铱纳米颗粒，所述双功能催化剂中金属铱的质量百分比小于10％，所述双功能催化剂同时具备良好的析氢和析氧催化活性。2.根据权利要求1所述一种高效铱基电解水双功能催化剂，其特征在于，所述碳材料包含炭黑、活性炭、氧化碳纳米管或者氧化石墨烯中的任意一种。3.权利要求1～2任一项所述一种高效铱基电解水双功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)制备聚多巴胺修饰的碳材料分散液：在碳材料表面生长一层聚多巴胺薄膜，得到聚多巴胺修饰的碳材料分散液；(2)制备高效铱基电解水双功能催化剂：向步骤(1)中聚多巴胺修饰的碳材料分散液中加入去离子水，超声分散后缓慢加入IrCl3·3H2O溶液，在常温下搅拌10分钟或以上后离心，用去离子水洗涤1～3次后进行冷冻干燥，再将冷冻干燥后的产物在氩气气氛下750℃处理1～3小时，即可得终产物即高效铱基电解水双功能催化剂。4.根据权利要求3所述一种高效铱基电解水双功能催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述在碳材料表面生长一层聚多巴胺薄膜的具体操作为：将碳材料分散于pH为6～10的溶液中，超声使之形成均匀分散溶液，再加入多巴胺，室温搅拌15～24h...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡卫华，伍秀菊，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50