一种负载型析氧催化剂及水电解器膜电极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种负载型析氧催化剂及水电解器膜电极的制备方法。一种负载型析氧催化剂，所述的负载型析氧催化剂由室温下导电处理后的过渡金属氧化物载体纳米颗粒以及负载于其表面的碱金属掺杂贵金属氧化物纳米颗粒组成，所述的碱金属的质量为过渡金属氧化物的质量的1％‑20％，所述的贵金属的质量为过渡金属氧化物的质量的5％‑30％。本发明专利技术将高活性的贵金属活性纳米颗粒负载于高导电型、高比表面积的氧化物载体表面，达到提高贵金属利用率和提升催化剂活性的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种负载型析氧催化剂及水电解器膜电极的制备方法
本专利技术涉及电化学氧析出材料与氢能
，尤其涉及一种负载型析氧催化剂及水电解器膜电极的制备方法。
技术介绍
聚合物水电解器是一种将电能转化为氢气与氧气的技术，在可再生能源储能、制氢、制氧方面具有较广泛的应用前景。目前该技术最大的制约因素是其高昂的制造成本。在水电解器膜电极中目前仍大量的使用铂、铱、钌等贵金属材料，且这些贵金属用量较大，一般在0.5-3mg/cm2左右，因此亟待减少用量降低其成本。在质子交换膜水电解器中，膜电极处于酸性体系下，目前综合性能最优的阳极催化剂为铱、钌氧化物。但大量贵金属的使用同时带来了膜电极成本的升高，因此急需开发新型催化材料以提升贵金属的质量比活性。目前在新型催化剂的开发中，一般使用过渡氧化物作为载体来负载贵金属活性物质。但过渡金属氧化物多为宽禁带半导体，因此电子导电性差，负载得到的催化剂活性无法得到提升。通过掺杂可提升过渡金属氧化物的导电性，但由烧结过程得到的氧化物材料比表面积低，致使负载与表面的贵金属材料利用率不高，因而不能满足高活性催化剂的要求。同时，一般采用传统方法烧结得到的结晶氧化铱活性依然不足，质量活性有待提高。在实际制备过程中，目前采用的负载型析氧催化剂制备方法均分为对载体的处理步骤及对贵金属氧化物的合成步骤，制备过程中需要经吸附、干燥、烧结、洗涤、分离等多步骤，制备过程繁复，成本较高。另外在应用环节中，目前的一些高活性催化剂并未在膜电极中实际体现其效能，导致贵金属用量居高不下，因此仍需要针对催化剂特性开发相应的膜电极制备工艺。
技术实现思路
本专利技术提供了一种负载型析氧催化剂及水电解器膜电极的制备方法，通过本专利技术提出的负载型析氧催化剂，可显著降低目前聚合物水电解器中的贵金属用量，达到降低膜电极成本、提高水电解器效率的目的。本专利技术的目的是提出了一种负载型析氧催化剂，所述的负载型析氧催化剂由室温下导电处理后的过渡金属氧化物载体纳米颗粒以及负载于其表面的碱金属掺杂贵金属氧化物纳米颗粒组成，所述的碱金属的质量为过渡金属氧化物的质量的1％-20％，所述的贵金属的质量为过渡金属氧化物的质量的5％-30％。本专利技术将高活性的贵金属活性纳米颗粒负载于高导电型、高比表面积的过渡金属氧化物载体表面，达到提高贵金属利用率，提升催化剂活性的目的。优选地，所述的贵金属氧化物纳米颗粒粒径为0.8-2.5纳米。本专利技术还保护上述的负载型析氧催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)将过渡金属氧化物与碱金属粉末混合，室温下球磨反应1-5小时，其中碱金属的质量为过渡金属氧化物的质量的1％-20％，得到过渡金属氧化物与碱金属氧化物的混合物；(2)向步骤(1)得到的过渡金属氧化物与碱金属氧化物的混合物中加入水搅拌，在氩气氛围下，随后加入贵金属前驱体，25℃-80℃下搅拌1-2小时，得到悬浊液；(3)将步骤(2)中得到的悬浊液烘干，烘干后所得粉末于250-500℃、惰性气氛下烧结1-4小时，得到负载型析氧催化剂。本专利技术首先使用碱金属对氧化物载体在室温下进行处理，所得产物再加入贵金属前驱体使用一锅法合成高效析氧催化剂。碱金属的加入一方面可以与过渡金属氧化物颗粒反应，生成导电的过渡金属氧化物，实现室温下的过渡金属氧化物导电能力的强化，避免因传统高温条件下还原导致的氧化物比表面积减小的缺点；另一方面，前述步骤中碱金属与过渡金属氧化物反应后得到的碱金属氧化物可以继续与贵金属前驱体反应，碱金属离子掺杂进入贵金属氧化物(铱氧化物)中进一步提升贵金属氧化物(铱氧化物)的催化活性，达到强化贵金属本征活性的目的。这一过程中碱金属物质无需分离，合成工艺简单，无污染。优选地，步骤(1)所述的具体步骤为：将过渡金属氧化物与碱金属粉末混合，再依次加入二甲基碳酸酯和丙酮溶液，室温下球磨1-5小时，得到过渡金属氧化物与碱金属氧化物的混合物，其中碱金属的质量为过渡金属氧化物的质量的1％-20％，过渡金属氧化物与二甲基碳酸酯的固液比为1:25-1:100g/mL，二甲基碳酸酯与丙酮溶液的体积比为10:1-1:1。优选地，所述的过渡金属选自钛、铌、钽、钨和铈中的一种以上。优选地，所述的碱金属选自锂、钠和钾中的一种以上。优选地，所述的贵金属前驱体为铱化合物和/或钌化合物，所述的贵金属的质量为过渡金属氧化物的质量的5％-30％。铱化合物和/或钌化合物均为可溶性盐或酸，例如氧化钌或氯铱酸，当贵金属为铱化合物和钌化合物的混合物时，铱化合物和钌化合物的质量比为1:2。本专利技术还保护一种水电解器膜电极的制备方法，采用上述的负载型析氧催化剂为阳极催化剂，包括如下步骤：向阳极催化剂中加入水、异丙醇、膜溶液，超声配制成催化剂墨水后喷涂于聚合物膜表面；向阴极催化剂中加入水、异丙醇以及膜溶液后超声配制成催化剂墨水后喷涂于聚合物膜的另一面，烘干后得到所述的水电解器膜电极。优选地，上述的水电解器膜电极的制备方法，具体包括如下步骤：向负载型析氧催化剂中加入水、异丙醇、膜溶液，超声配制成催化剂墨水后喷涂于聚合物膜表面，水、异丙醇和负载型析氧催化剂的质量比为5:20:1；向铂碳催化剂中加入水、异丙醇以及膜溶液后，超声配制成催化剂墨水后喷涂于聚合物膜的另一面，水、异丙醇和铂碳催化剂的质量比为5:20:1，于80℃下真空干燥12小时，得到所述的水电解器膜电极。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、现有聚合物水电解器膜电极中的贵金属含量普遍在0.8-3mg/cm2，而使用本专利技术所提供的方法可以将膜电极中的贵金属总量降低至0.2mg/cm2以内且性能不出现下降，因此可明显降低膜电极成本；2、本专利技术开发了一种简单易行的一锅法制备负载型析氧催化剂的技术，氧化物材料的处理以及贵金属前驱体的水解与负载在同一容器内完成，前驱体材料不产生浪费且制备过程无需分离步骤操作简便，适合大批量制备；3、过渡金属氧化物材料的改性处理在室温下进行，避免了传统高温条件下还原过程，载体材料的比表面积不会出现下降，有利于形成高分散的活性位点，同时减少制备过程中的能耗；4、碱金属颗粒在与过渡金属氧化物载体材料反应后形成的碱金属氧化物无需分离，可直接作为后续贵金属活性氧化物材料的制备原料，与其反应得到贵金属氧化物活性物质；该活性物质由于碱金属离子的加入可获得比传统贵金属氧化物更高的活性，进一步提升催化剂性能。附图说明图1为本专利技术制备负载型析氧催化剂的流程图；图2为本专利技术实施例1制备得到的负载型析氧催化剂的透射电镜图片；图3为本专利技术实施例1和实施例2制备得到的负载型析氧催化剂的质量活性图；图4为本专利技术实施例1和对比例1的聚合物水电解器极化曲线图。具体实施方式以下实施例是对本专利技术的进一步说明，而不是对本专利技术的限制。除特别说明，本专利技术使用的设备和试剂为本
常规市购产品。实施例1如图1所示制备负载型析氧催化剂，一种水电解器膜电极的制备方法，包括如下步骤：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负载型析氧催化剂，其特征在于，所述的负载型析氧催化剂由室温下导电处理后的过渡金属氧化物载体纳米颗粒以及负载于其表面的碱金属掺杂贵金属氧化物纳米颗粒组成，所述的碱金属的质量为过渡金属氧化物的质量的1％-20％，所述的贵金属的质量为过渡金属氧化物的质量的5％-30％。/n

【技术特征摘要】
1.一种负载型析氧催化剂，其特征在于，所述的负载型析氧催化剂由室温下导电处理后的过渡金属氧化物载体纳米颗粒以及负载于其表面的碱金属掺杂贵金属氧化物纳米颗粒组成，所述的碱金属的质量为过渡金属氧化物的质量的1％-20％，所述的贵金属的质量为过渡金属氧化物的质量的5％-30％。


2.根据权利要求1所述的负载型析氧催化剂，其特征在于，所述的贵金属氧化物纳米颗粒粒径为0.8-2.5纳米。


3.一种权利要求1所述的负载型析氧催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将过渡金属氧化物与碱金属粉末混合，室温下球磨反应1-5小时，其中碱金属的质量为过渡金属氧化物的质量的1％-20％，得到过渡金属氧化物与碱金属氧化物的混合物；
(2)向步骤(1)得到的过渡金属氧化物与碱金属氧化物的混合物中加入水搅拌，在氩气氛围下，随后加入贵金属前驱体，25℃-80℃下搅拌1-2小时，得到悬浊液；
(3)将步骤(2)中得到的悬浊液烘干，烘干后所得粉末于250-500℃、惰性气氛下烧结1-4小时，得到负载型析氧催化剂。


4.根据权利要求3所述的负载型析氧催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的具体步骤为：将过渡金属氧化物与碱金属粉末混合，再依次加入二甲基碳酸酯和丙酮溶液，室温下球磨反应1-5小时，得到过渡金属氧化物与碱金属氧化物的混合物，其中碱金属的质量为过渡金属氧化物的质量的1％-20％，过渡金属氧化物与二甲基碳酸酯的固液比...

【专利技术属性】
技术研发人员：史言，闫常峰，卢卓信，郭常青，王志达，谭弘毅，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44