钙掺杂的钌酸钇及其制备方法和在电化学装置中的应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电化学催化技术领域，具体涉及一种钙掺杂的钌酸钇及其制备方法和在电化学装置中的应用。所述钙掺杂的钌酸钇具有如下的分子式：Y

【技术实现步骤摘要】
钙掺杂的钌酸钇及其制备方法和在电化学装置中的应用
本专利技术属于电化学催化
，具体涉及一种钙掺杂的钌酸钇及其制备方法和在电化学装置中的应用。
技术介绍
电转气技术(Powertogas，缩写为P2G或PtG)，是一种利用电力转换为气体燃料的技术，也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，所以这种用途也被称为氢储能。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。另一种与可再生能源发电联用的技术方案是能源储存技术，将可再生能源冗余的电储存在电化学电池。常见的电化学电池有锂电池、液流电池和锌空气电池，其中锌空电池因其成本较低、能量密度高和结构简单，受到众多关注。此外还有质子交换膜(PEM)电解池，PEM电解池是一种将电能转换为化学能的储能装置，其包括阳极、阴极、以及质子交换膜，一般还会包括集流板、场流板以及其他支撑部件。但是锌空电池和PEM电解池的氧反应电极动力学反应速率慢，限制了它们的进一步应用。因此，开发高效、稳定、低成本的氧反应电极催化剂至关重要。另外，锌空电池工作环境一般为碱性，而PEM电解池的工作环境为酸性，对材料的特性要求有较大差异。目前尚未有一种既能够满足锌空电池又能够满足PEM电解池的氧反应电极材料。
技术实现思路
针对目前氧反应电极存在的动力学反应速率慢并且无法满足既能在酸性条件下使用又能够在碱性条件使用等问题，本专利技术提供一种钙掺杂的钌酸钇及其制备方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案如下：一种钙掺杂的钌酸钇，所述钙掺杂的钌酸钇具有如下的分子式：Y2-xCaxRu2O7，其中，0<x<1。相应地，一种钙掺杂的钌酸钇的制备方法，包括以下步骤：提供包含钇离子、钙离子及钌离子的混合溶液；向所述混合溶液中加入金属离子配体，使发生配体反应，得到包含钇离子、钙离子及钌离子的配位化合物；去除所述配位化合物中的溶剂，得到钙掺杂的钌酸钇的前驱体；对所述前驱体进行粉碎处理，并置于含氧气氛中煅烧，得到钙掺杂的钌酸钇；所述钙掺杂的钌酸钇具有如下的分子式：Y2-xCaxRu2O7，其中，0<x<1；所述混合溶液中，钇离子、钙离子及钌离子的摩尔比与所述Y2-xCaxRu2O7中Y、Ca和Ru元素的摩尔比相同。进一步地，一种氧反应电极，所述氧反应电极中含有如上所述的钙掺杂的钌酸钇；或者所述氧反应电极中含有的钙掺杂的钌酸钇为采用上述所述的钙掺杂的钌酸钇的制备方法制备得到的钙掺杂的钌酸钇。一种质子交换膜电解池，包括阳极，所述阳极为如上所述的氧反应电极。一种锌空电池，包括空气电极，所述空气电极为如上所述的氧反应电极。本专利技术的技术效果为：相对于现有技术，本专利技术提供的钙掺杂的钌酸钇，正二价的Ca2+替换烧绿石结构的Y2Ru2O7中的部分正三价Y3+，从而使得钙掺杂的钌酸钇在氧催化过程中产生空穴掺杂效应，增加了表面氧空位浓度，进而为析氧反应或氧还原反应提供更多的活性位点，并且正二价的Ca2+替换部分正三价Y3+还会使得单一的Ru4+变成Ru4+和Ru5+的混合，有利于提高催化剂的氧化还原能力，进而促进析氧反应或者氧还原反应，在酸性以及碱性条件下均具有催化功能。本专利技术提供的钙掺杂的钌酸钇的制备方法，通过溶胶凝胶方式获得同时含钇离子、钙离子、钌离子的前驱体，随后经过煅烧即获得钙掺杂的钌酸钇，本制备方法具有工艺简单、条件易控、可重复性好、生产效率高等特点。本专利技术提供的氧反应电极，具有贵金属含量较低、电化学催化活性高、且在酸性以及碱性体系下均有良好且稳定的氧反应催化性能等特点。本专利技术提供的质子交换膜电解池，由于其阳极含有本专利技术钙掺杂的钌酸钇，在酸性条件下有良好的稳定性和催化特性，因而质子交换膜电解池表现出优异的电化学催化活性以及良好的催化效果。本专利技术提供的锌空电池，由于空气电极中含有本专利技术钙掺杂的钌酸钇，并且钙掺杂的钌酸钇在碱性条件下有良好的的稳定性和催化活性，因而锌空电池有良好的催化效果。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1～3制备的钙掺杂的钌酸钇及对比例1制备的钌酸钇的XRD衍射线；图2为本专利技术实施例1～3制备的钙掺杂的钌酸钇分别作为电极及对比例1、对比例2提供的电极在0.5mol/L硫酸溶液体系中的电化学析氧反应性能图；图3为本专利技术实施例2制备的钙掺杂的钌酸钇作为电极以及对比例1提供的电极在0.5mol/L硫酸溶液中，给电极施加10mA/cm2电流密度、扫描速度为10mV/s时，电压随时间的变化曲线；图4为本专利技术实施例2提供的钙掺杂的钌酸钇制作成阳极并组装成质子交换膜电解池以及对比例2的电极组装成质子交换膜电解池在扫描速度为10mV/s时的电解性能对比图；图5为本专利技术实施例1～3提供的钙掺杂的钌酸钇分别制作成电极及对比例1～3提供的电极在0.1mol/L氢氧化钾溶液中，扫描速度为20mV/s的条件下的氧还原反应性能对比图；图6为本专利技术实施例1～3提供的钙掺杂的钌酸钇分别制作成电极及对比例1提供的电极在0.1mol/L氢氧化钾溶液中，扫描速度为10mV/s的条件下的析氧反应性能对比图；图7为本专利技术实施例2提供的钙掺杂的钌酸钇制作成电极并组装成锌空电池与Pt/C-IrO2组装成锌空电池时的功率密度曲线对比图；图8为本专利技术实施例2提供的钙掺杂的钌酸钇制作成电极并组装成锌空电池与Pt/C-IrO2组装成锌空电池时在5mA/cm2的充放电模式下的稳定性测试对比图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供一种钙掺杂的钌酸钇，所述钙掺杂的钌酸钇具有如下的分子式：Y2-xCaxRu2O7，其中，0<x<1。Y2Ru2O7(简写为：YRO)是一种具有烧绿石结构的氧化物，已经发现其具有一定的析氧和氧还原活性。相对于RuO2，YRO的Ru贵金属含量由76.5％(RuO2)降低至41％，但是，YRO的电化学催化活性需要进一步提高才能满足质子交换膜电解池和锌空电池的需求。通过在A位(A2B2O7)进行掺杂，部分引入Ca2+，作为催化剂产生了空穴掺杂效应，使得表面氧空位浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钙掺杂的钌酸钇，其特征在于，所述钙掺杂的钌酸钇具有如下的分子式：/nY

【技术特征摘要】
1.一种钙掺杂的钌酸钇，其特征在于，所述钙掺杂的钌酸钇具有如下的分子式：
Y2-xCaxRu2O7，其中，0<x<1。


2.如权利要求1所述的钙掺杂的钌酸钇，其特征在于，所述钙掺杂的钌酸钇的粒径为(100～2000)nm。


3.如权利要求1所述的钙掺杂的钌酸钇，其特征在于，所述钙掺杂的钌酸钇的分子式中，0.15≤x≤0.4。


4.如权利要求1所述的钙掺杂的钌酸钇，其特征在于，所述钙掺杂的钌酸钇为Y1.85Ca0.15Ru2O7、Y1.75Ca0.25Ru2O7、Y1.6Ca0.4Ru2O7中的至少一种。


5.一种钙掺杂的钌酸钇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供包含钇离子、钙离子及钌离子的混合溶液；
向所述混合溶液中加入金属离子配体，使发生配体反应，得到包含钇离子、钙离子及钌离子的配位化合物；
去除所述配位化合物中的溶剂，得到钙掺杂的钌酸钇的前驱体；
对所述前驱体进行粉碎处理，并置于含氧气氛中煅烧，得到钙掺杂的钌酸钇；所述钙掺杂的钌酸钇具有如下的分子式：Y2-xCaxRu2O7，其中，0<x<1；
所述混合溶液中，钇离子、钙...

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