一种铋掺杂的钌酸钇及其制备方法和析氧应用技术

本发明专利技术提供了一种铋掺杂的钌酸钇，所述铋掺杂的钌酸钇的分子式为Y2‑xBixRu2O7，其中，x的取值满足：0

Bismuth-doped yttrium ruthenate and its preparation method and oxygen evolution application

【技术实现步骤摘要】
一种铋掺杂的钌酸钇及其制备方法和析氧应用
本专利技术属于电化学催化
，尤其涉及一种铋掺杂的钌酸钇及其制备方法和析氧应用。
技术介绍
电转气技术(Powertogas，缩写为P2G或PtG)，是利用电力转换为气体燃料的技术，是近年来兴起的一种与清洁能源特别是间歇式可再生能源发电紧密结合的新型大规模工业化电解水制氢技术。电转气技术的关键是将电力通过电解的方式将水分解为氧气和氢气。氢气可以作为储存能量的载体，所以这种用途也被成为氢储能。以太阳能制氢储能技术为例，其核心思想是：当太阳能发电充足但无法被完全使用时，可以将其多余的电通过电解水的方式转化为氢气，进而作为能源载体储存起来；当需要电能时，将储存的氢气通过不同方式(内燃机、燃料电池或其他方式)转换为电能输送上网。电化学裂解水反应主要的过电位来源于氧析出反应(OER)，动力学反应速度相对缓慢。尽管通过研究人员的努力，提高了电解水的性能，但氧析出反应电催化剂仍然存在反应动力学缓慢以及在酸性环境中稳定性低的问题。钌(Ru)和铱(Ir)氧化物是酸性介质中最好的两种OER催化剂。氧化钌虽然具有较高的活性，但其稳定性不佳，难以在商业电解槽中应用，目前主流的商业OER催化剂大多采用氧化铱。但钌和铱都是贵金属，价格昂贵，其大量使用不利于电解水制氢技术成本的降低。为加快PEM电解水制氢的产业化发展，降低膜电极中贵金属的含量显得尤为重要。但是，在实际应用中发现，随着贵重金属的含量降低，氧析出反应电催化剂相应的出现电导率较低，不利于催化反应过程的电子转移过程，从而导致催化活性不高的问题出现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种铋掺杂的钌酸钇及其制备方法，旨在解决现有的现有贵金属析氧反应催化剂稳定性不好，且成本高的问题。本专利技术的另一目的在于提供一种铋掺杂的钌酸钇在析氧反应领域的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术第一方面提供一种铋掺杂的钌酸钇，所述铋掺杂的钌酸钇的分子式为Y2-xBixRu2O7，其中，x的取值满足：0<x<2。本专利技术第二方面提供一种铋掺杂的钌酸钇的制备方法，包括以下步骤：配置Y盐、Bi盐和Ru盐的混合溶液；向所述混合溶液中添加金属离子配合物进行配体反应，反应结束后除去反应体系中的溶剂，得到固体Y2-xBixRu2O7前驱体；将所述固体Y2-xBixRu2O7前驱体进行粉化处理后，置于含氧气氛中进行煅烧处理。本专利技术第三方面提供一种析氧反应电极，所述析氧反应电极包括本专利技术所述的铋掺杂的钌酸钇，或所述析氧反应电极由本专利技术所述的制备方法制备的铋掺杂的钌酸钇。本专利技术第四方面提供一种电化学装置，包括相对设置的阳极和阴极，所述阳极为本专利技术所述的析氧反应电极。本专利技术第五方面提供一种由水生成氢气和氧气的方法，包括如下步骤：提供本专利技术所述的电化学装置所述阳极所需去离子水；对所述电化学装置通电，以分别在所述阴极和阳极上将所述水的至少一部分转化成氢气和氧气。本专利技术提供的铋掺杂的钌酸钇，分子式为Y2-xBixRu2O7，其中，x的取值满足：0<x<2。即所述铋掺杂的钌酸钇实质上是烧绿石结构的Y2Ru2O7为基础，采用Bi元素对Y2Ru2O7进行A位(Y位)掺杂。一方面，采用Bi元素对Y2Ru2O7进行A位掺杂得到的析氧反应催化剂，有效提高了Y2Ru2O7的导电率(即所述Y2-xBixRu2O7具有优异的导电率)，提高了其催化反应过程的电子转移速度，从而提高了所述析氧反应催化剂的催化效率，而且所述Y2-xBixRu2O7酸性环境稳定性高。另一方面，Bi3+部分替代Y3+不会改变原有结构的稳定性，但因的离子半径比大，Bi3+的插入引入了晶格缺陷，调节了Y2Ru2O7的氧空位，提高氧空位浓度，进而提高析氧反应的催化活性。此外，Y2Ru2O7的Ru含量约为41％，RuO2中Ru含量为76.5％，有效降低贵金属Ru的含量，从而降低了其经济成本；且采用本专利技术提供的Y2-xBixRu2O7作为析氧反应催化剂，在等同性能情况下极大地降低了所述析氧反应催化剂的使用量，进一步降低了电解水制氢的成本。本专利技术提供的铋掺杂的钌酸钇的制备方法，将含有Y、Bi和Ru离子溶液采用溶胶凝胶法制备所述析氧反应催化剂的前驱体，然后直接进行煅烧处理。由此得到的铋掺杂的钌酸钇作为析氧反应催化剂，不仅贵金属含量低，导电率高，析氧催化活性高，而且能够保证析氧反应催化剂催化性能稳定。另外，所述制备方法工艺条件易控，可重复性好，生产效率高，有效降低了生产成本。本专利技术提供的析氧反应电极和电化学装置，由于含有本专利技术铋掺杂的钌酸钇(作为析氧反应催化剂)或本专利技术制备方法制备的铋掺杂的钌酸钇(作为析氧反应催化剂)，因此，本专利技术析氧反应电极和电化学装置析氧率高，而且成本低。本专利技术提供的由水生成氢气和氧气的方法，由于采用本专利技术所述的电化学装置(以铋掺杂的钌酸钇作为析氧反应催化剂)，因此，水生成氢气和氧气的效率高，经济成本低。附图说明图1是本专利技术实施例提供的XRD衍射图谱；图2是Y2Ru2O7、Y1.8Bi0.2Ru2O7和IrO2电极在0.5mol/L硫酸溶液中，电化学极化曲线图；图3是本专利技术实施例提供的Y1.8Bi0.2Ru2O7在0.5mol/L硫酸溶液中，给电极施加10mAcm-2电流密度，电压随时间的变化曲线；图4是Y2Ru2O7、Y1.8Bi0.2Ru2O7和IrO2电极，第1次循环伏安测试时和2000次循环伏安稳定性测试后，施加1.55V电压，电流密度对比曲线；图5是Y2Ru2O7、Y1.8Bi0.2Ru2O7、Y1.6Bi0.4Ru2O7,YBiRu2O7和IrO2电极，在0.5mol/L硫酸溶液中，电化学极化曲线性能对比图。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。Y2Ru2O7是一种烧绿石结构的氧化物，已经发现其具有一定的析氧活性。相对于RuO2，Y2Ru2O7的Ru贵金属含量由76.5％(RuO2)降低至41％，而且在酸性溶液中能保持稳定。但是，Y2Ru2O7是一种绝缘体，电导率很低。鉴于此，本专利技术通过在A位(A2B2O7)掺杂，部分引入Bi3+，有效提高了Y2Ru2O7的电导率和调节Y2Ru2O7的氧空位浓度。具体的，本专利技术实施例第一方面提供一种析铋掺杂的钌酸钇，所述铋掺杂的钌酸钇的分子式为Y2-xBixRu2O7，其中，x的取值满足：0<x<2。本专利技术实施例提供的铋掺杂的钌酸钇，分子式为Y2-xBixRu2O7，其中，x的取值满足：0<x<2。即所述铋掺杂的钌酸钇实质上是烧绿石结构的Y2Ru2O7为基础，采用Bi元素对Y2Ru2O7进行A位(Y位)掺杂。一方面，采用Bi元素对Y2Ru2O7进行A位掺杂得到的析本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铋掺杂的钌酸钇，其特征在于，所述铋掺杂的钌酸钇的分子式为Y2‑xBixRu2O7，其中，x的取值满足：0<x<2。

【技术特征摘要】
1.一种铋掺杂的钌酸钇，其特征在于，所述铋掺杂的钌酸钇的分子式为Y2-xBixRu2O7，其中，x的取值满足：0<x<2。2.如权利要求1所述的铋掺杂的钌酸钇，其特征在于，所述Y2-xBixRu2O7的粒径为100nm-2000nm。3.一种铋掺杂的钌酸钇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：配置Y盐、Bi盐和Ru盐的混合溶液；向所述混合溶液中添加金属离子配合物进行配体反应，反应结束后除去反应体系中的溶剂，得到固体Y2-xBixRu2O7前驱体；将所述固体Y2-xBixRu2O7前驱体进行粉化处理后，置于含氧气氛中进行煅烧处理。4.如权利要求3所述的铋掺杂的钌酸钇的制备方法，其特征在于，所述配置Y盐、Bi盐和Ru盐的混合溶液的步骤中，按照Y2-xBixRu2O7中Y、Bi和Ru元素的摩尔比添加Y盐、Bi盐和Ru盐，配置Y盐、Bi盐和Ru盐的混合溶液，其中，x的取值满足：0<x<2。5.如权利要求3或4所述的铋掺杂的钌酸钇的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，所述Y盐的浓度为0.001～0.1molL-1，所述Ru盐的浓度为0.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯其，李辉，王海江，熊雍玥珩，邓成龙，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44