IrRu基多元合金氧析出催化剂及其制备方法技术

本申请公开一种IrRu基多元合金氧析出催化剂及其制备方法，所述制备方法包括：将含铱化合物、含钌化合物、含X金属化合物溶解在去离子水中，形成前驱体混合溶液；配制含有强碱试剂的碱性牺牲载体溶液；将所述前驱体混合溶液加入所述碱性牺牲载体溶液中，反应后形成IrRuX氢氧化物，担载于所述牺牲载体上；将所述IrRuX氢氧化物在还原气氛下进行热处理，形成担载于牺牲载体上的IrRuX合金催化剂。所述IrRuX合金催化剂具有高稳定性和高催化活性。

【技术实现步骤摘要】
IrRu基多元合金氧析出催化剂及其制备方法
本申请涉及固体电解质水电解
，具体涉及一种高活性高稳定性IrRu基多元合金氧析出催化剂及其制备方法。
技术介绍
随着地球上资源、环境、能源问题日益突出，发展可再生、环境友好的能源正成为国际研究与开发的热点和重点。氢能具有高效、环保、资源丰富等特点，应用广泛。氢能的发展离不开氢的获取、储存、运输和利用，其中氢气的获取是氢能经济和技术发展的源头。电解水制氢被认为是储存可再生和可持续能源的最有前景的技术。酸性质子交换膜(PEM)电解技术相比于碱性水电解技术电流密度更大、氢气纯度更高、装配紧凑、欧姆损耗低、电压负载范围宽等特点，这些特点使得酸性电解槽中反应速率比碱性电解槽快三个以上数量级，非常适合用于与可再生能源(太阳能、风能、水电)发电耦合的水电解制氢。PEM中阳极析氧反应被认为是电解池过电势的主要来源，并且大量的实验工作与理论研究表明，在强酸性条件下具有较好的析氧催化活性的催化剂主要集中在IrO2、RuO2等贵金属氧化物上。其中，RuO2被认为是析氧活性最高的金属氧化物，但在酸性体系电催化环境下容易溶解，稳定性差；IrO2析氧活性虽仅次于RuO2且稳定性好，但相同电流密度下其过电位要高150～250mV，并且价格是RuO2的5～7倍，因此二元复合金属氧化物RuxIr1-xO2既可以降低过电位又可以降低催化剂成本。专利CN111420658A采用水热法制备了一种IrRu合金氧析出催化剂。专利CN201110419158A以氧化硅分子筛为模板，将Ru和Ir贵金属浸渍还原于模板的壳体孔道内得到SPE水电解阳极催化剂。MazhariAbbasi等研究发现金红石型IrO2-RuO2固溶体的形成可以同时提高IrO2基电催化活性和RuO2基的稳定性。Kim等人研究发现通过电化学氧化方法制备的IrOx和RuOx催化剂的活性要高于通过热处理方法制备的IrO2和RuO2催化剂。然而，固体电解质水电解制氢阳极环境具有极强的氧化性，即使是金属单质也会在阳极环境下转化为金属氧化物。并且在酸性中合金中的钌依然会溶出，导致现有的各类铱钌基或合金催化剂仍存在钌溶出致黑色、稳定性差等缺陷，因此迫切需要开发一种能够抑制钌溶出或提升钌稳定性的方法，以此获得具有高活性长耐久性的铱钌基合金催化剂。
技术实现思路
鉴于此，本申请提供一种IrRu基多元合金氧析出催化剂及其制备方法，以解决现有的IrRu基催化剂稳定性差的问题。本申请提供的一种IrRu基多元合金氧析出催化剂的制备方法，包括：将含铱化合物、含钌化合物、含X金属化合物溶解在去离子水中，形成前驱体混合溶液；配制含有强碱试剂的碱性牺牲载体溶液；将所述前驱体混合溶液加入所述碱性牺牲载体溶液中，反应后形成IrRuX氢氧化物，担载于所述牺牲载体上；将所述IrRuX氢氧化物在还原气氛下进行热处理，形成担载于牺牲载体上的IrRuX合金催化剂，所述X金属能够在Ru脱氧后及时补充氧原子。可选的，所述X金属包括M金属或N金属中的至少一种，其中，M金属为W或Mo，N金属为La、Ce、Er、Sc、Y中的任意一种。可选的，形成前驱体混合溶液的过程中，还包括加入表面活性剂或络合剂。可选的，所述的表面活性剂或络合剂包括EDTA、CTAB、PVA、CTAC中的至少一种。可选的，所述强碱试剂包括氢氧化钾和氢氧化钠中的至少一种。可选的，所述的强碱试剂与Ir、Ru两种元素之和的摩尔比为(5～20):1。可选的，所述的牺牲载体包括纳米氧化硅、纳米氧化镁、纳米氧化铝和纳米氧化锌中的至少一种。可选的，所述的牺牲载体与Ir、Ru两种元素之和的摩尔比为(5～20):1。可选的，形成所述IrRuX氢氧化物的反应体系温度为60℃～90℃，反应时间为2h～4h。可选的，还包括：形成所述IrRuX氢氧化物后，对担载有IrRuX氢氧化物的牺牲载体进行过滤、洗涤及干燥处理。可选的，所述还原气氛包括氢气、一氧化碳以及氨气中的至少一种。可选的，所述热处理温度为300℃～800℃，热处理时间为2h～24h。可选的，还包括：形成担载于牺牲载体上的IrRuX合金催化剂后，对担载有IrRuX合金催化剂的牺牲载体进行过滤、洗涤及干燥处理；或者，用酸去除所述牺牲剂载体后，进行洗涤及干燥处理。本申请还提供一种IrRu基多元合金氧析出催化剂，所述IrRu基多元合金掺杂有X金属，通式为IrxRuyXc，其中0.5≤x≤0.75，0.25≤y≤0.5，且x+y＝1，0.05≤c≤0.2；所述X金属能够在Ru脱氧后及时补充氧原子。可选的，所述X金属包括M金属或N金属中的至少一种，其中，M金属为W或Mo，N金属为La、Ce、Er、Sc、Y中的任意一种。可选的，所述IrRu基多元合金氧析出催化剂的粒径范围为3～7nm。本申请上述IrRu基多元合金催化剂的制备方法引入掺杂金属X，形成IrRuX合金催化剂，金属X能够在Ru脱氧后及时补充氧原子，减少Ru与H+接触，提升催化剂的抗腐蚀能力，进而起到提高催化剂稳定性的作用；另外，通过引入掺杂金属X能够抑制IrRu合金材料的团聚，使得颗粒变小，提高催化剂的活性。该方法操作简单、易操控，可实现批量化制备。在制备过程中，还可以加入表面活性剂或络合剂，以加速反应物分散，更利于减小催化剂的颗粒粒径。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本申请一实施例的IrRu基多元合金氧析出催化剂制备方法的流程示意图；图2是本申请实施例1、实施例2以及对照例形成的催化剂的XRD图谱；图3是本申请实施例1、实施例2以及对照例形成的催化剂的线性扫描曲线；图4是本申请实施例1、实施例2以及对照例形成的催化剂的电流-时间曲线。图5是本申请实施例1形成的催化剂的TEM图。具体实施方式下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。请参考图1，为本专利技术一实施例的IrRuX多元合金氧析出催化剂的制备方法的流程示意图。步骤S101：将含铱化合物、含钌化合物、含X金属化合物溶解在去离子水中，形成前驱体混合溶液。所述含铱化合物、含钌化合物、含X金属化合物通常可以选择金属盐类。所述X金属作为掺杂金属，包括M金属或N金属中的至少一种，其中，M金属为W或Mo，N金属为La、Ce、Er、Sc、Y中的任意一种。其中，Ir的摩尔分数为x，0.5≤x≤0.75本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种IrRu基多元合金氧析出催化剂的制备方法，其特征在于，包括：/n将含铱化合物、含钌化合物、含X金属化合物溶解在去离子水中，形成前驱体混合溶液；/n配制含有强碱试剂的碱性牺牲载体溶液；/n将所述前驱体混合溶液加入所述碱性牺牲载体溶液中，反应后形成IrRuX氢氧化物，担载于所述牺牲载体上；/n将所述IrRuX氢氧化物在还原气氛下进行热处理，形成担载于牺牲载体上的IrRuX合金催化剂，所述X金属能够在Ru脱氧后及时补充氧原子。/n

【技术特征摘要】
1.一种IrRu基多元合金氧析出催化剂的制备方法，其特征在于，包括：
将含铱化合物、含钌化合物、含X金属化合物溶解在去离子水中，形成前驱体混合溶液；
配制含有强碱试剂的碱性牺牲载体溶液；
将所述前驱体混合溶液加入所述碱性牺牲载体溶液中，反应后形成IrRuX氢氧化物，担载于所述牺牲载体上；
将所述IrRuX氢氧化物在还原气氛下进行热处理，形成担载于牺牲载体上的IrRuX合金催化剂，所述X金属能够在Ru脱氧后及时补充氧原子。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述X金属包括M金属或N金属中的至少一种，其中，M金属为W或Mo，N金属为La、Ce、Er、Sc、Y中的任意一种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成前驱体混合溶液的过程中，还包括加入表面活性剂或络合剂。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的表面活性剂或络合剂包括EDTA、CTAB、PVA、CTAC中的至少一种。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述强碱试剂包括氢氧化钾和氢氧化钠中的至少一种。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的强碱试剂与Ir、Ru两种元素之和的摩尔比为(5～20):1。


7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的牺牲载体包括纳米氧化硅、纳米氧化镁、纳米氧化铝和纳米氧化锌中的至少一种。


8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的牺牲载体与Ir、Ru两种元素之和的摩尔比为(5～20):1。...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹亮亮，刘培，刘得友，杨辉，
申请(专利权)人：宁波中科科创新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33