用于纯水电解制臭氧的阳极催化剂、膜电极以及制备方法技术

本申请公开一种用于纯水电解制臭氧的阳极催化剂及其制备方法，一种膜电极及其制备方法，所述阳极催化剂包括：铱基材料和掺杂成分的混合物，所述掺杂成分包括：铌单质、钽单质、含铌化合物以及含钽化合物中的至少一种。上述阳极催化剂稳定性高、催化性能好。

【技术实现步骤摘要】
用于纯水电解制臭氧的阳极催化剂、膜电极以及制备方法
本申请涉及催化剂
，具体涉及一种纯水电解制臭氧的阳极催化剂、膜电极以及制备方法。
技术介绍
臭氧是一种有极强氧化性的气体，杀菌消毒效果显著，且反应后产物为氧气，无毒性、无二次污染性、无副作用等优点，这种特性使其在污水处理、空气净化、自来水净化等领域都有广泛应用。当前，制取臭氧的方法主要有紫外线辐射法、电晕放电以及固体聚合物膜电极电解法。紫外线辐射法能耗高但产生的臭氧浓度低，不利于大规模生产臭氧，而臭氧在使用时需要达到一定的浓度才具有良好的杀菌消毒作用；电晕放电时若用空气为原料，会产生对氮氧化合物，不仅人体有害还会污染环境，若使用纯氧气，则成本大大提高，不利于广泛使用；电解法制备臭氧，是利用直流电源电解含氧电解质，能获得较高浓度且不生成有害或污染物，利于广泛使用。目前，电解水制备臭氧主要利用臭氧发生器中的膜电极组件，膜电极组件主要包括质子交换膜，阴极催化剂和阳极催化剂等。其中阳极催化剂的活性、稳定性及选择性对发生器起到关键作用，阴极普遍使用铂碳(Pt/C)催化剂。阳极催化剂需要良好的电催化活性、导电性、选择性及抗腐蚀性能。氧化铅是水电解制臭氧研究最多的阳极材料，其选择性高、电压低，但是铅金属存在溶解，并且铅本身具有较高的毒性，对于从业人员、使用者都存在较大的隐患。开发具有高化学稳定、高选择性、环境友好的阳极催化剂成为了研究重点。
技术实现思路
本申请提供一种用于纯水电解制臭氧的阳极催化剂及其制备方法，一种膜电极及其制备方法，以提供更高效的阳极催化剂。本申请提供一种用于纯水电解制臭氧的阳极催化剂，包括：铱基材料和掺杂成分的混合物，所述掺杂成分包括：铌单质、钽单质、含铌化合物以及含钽化合物中的至少一种。可选的，所述混合物内，铱元素所占摩尔百分比为30mol％～60mol％。可选的，所述铱基材料包括IrO2和/或Ir单质，掺杂成分包括Nb、Nb2O5、Ta、Ta2O5中的至少一种。本申请还提供一种用于纯水电解制臭氧的阳极催化剂的制备方法，包括：步骤a:将含有金属元素的前驱体以不同的摩尔比加入碱性水溶液中，形成混合溶液，所述金属元素包括铱和掺杂金属，所述掺杂金属包括铌和钽中的至少一种；步骤b：将混合溶液升温至反应温度，并恒温搅拌，得到碱性沉淀物溶液；步骤c：将所述碱性沉淀物溶液与碱金属氧化物混合，形成混合物；步骤d：在空气氛围下，将步骤c得到的所述混合物进行煅烧，获得膜电极阳极催化剂。可选的，所述反应温度为60℃～70℃。可选的，所述煅烧温度为800～900℃，煅烧时间为1h～5h。可选的，在步骤a中，含铱元素的前驱体的摩尔百分比为30mol％～60mol％。可选的，在步骤a中，含铱元素的前驱体包括Ir、IrCl3和H2IrCl6中的至少一种；含掺杂金属的前驱体包括Ta2O5、TaCl5、TaC、Nb2O5、NbCl5、NbC、Ta以及Nb中的至少一种。可选的，在步骤a中，所述碱性水溶液的pH值范围为8-12。可选的，在步骤a中，所述碱性水溶液的浓度为0.02mol/L～0.03mol/L；所述碱性水溶液中的碱性溶剂包括KOH、NaOH以及NaHCO3中的至少一种。可选的，在步骤c中，所述多孔纳米碱金属氧化物包括多孔纳米MgO、多孔纳米Al2O3和多孔纳米ZnO中的至少一种。可选的，在步骤c中，所述碱性沉淀物溶液内的碱性沉淀物与所述碱金属氧化物的摩尔比例为(1～3)：(3～1)。本申请还提供一种膜电极的制备方法，包括：将权利要求1至3中任一项所述的阳极催化剂材料涂覆于转印薄膜表面；将所述转印薄膜涂覆有阳极催化剂材料的一面朝向质子交换膜，与所述质子交换膜热压，使阳极催化剂转印于所述质子交换膜上。可选的，将所述催化剂材料涂覆于转印薄膜表面的方法包括：丝印、喷涂法、涂布法中的至少一种。可选的，将所述阳极催化剂材料涂覆于转印薄膜表面的方法包括：将阳极催化剂与一定重量的纯水、异丙醇以及全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物混合，配成浆料；将所述浆料装入喷涂装置中，以转印薄膜作为接收板，将所述浆料均匀喷涂于所述转印薄膜表面，并烘干。可选的，所述阳极催化剂与全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物的质量比为1:2，异丙醇与纯水的质量比为1：1，阳极催化剂与异丙醇和纯水的混合溶液的质量比为1：(20-40)。可选的，还包括：提供表面涂氟有阴极催化剂材料的第二转印薄膜；将所述第二转印薄膜涂覆有阴极催化剂材料的一侧表面热压于所述质子交换膜的另一侧表面，将所述阴极催化剂转印于质子交换膜表面，使得所述质子交换膜的两侧表面分别为阴极催化剂和阳极催化剂。本申请还提供一种膜电极，包括：质子交换膜；所述质子交换膜一侧表面覆盖有阴极催化剂层，另一侧表面覆盖有阳极催化剂层，所述阳极催化剂层包括上述阳极催化剂。本申请上述阳极催化剂的形成方法，形成的阳极催化剂为掺杂铌/钽等单质或化合物的铱基材料。本专利技术采用化学稳定性高、催化性能好的铱基材料掺杂稳定性好钽基、铌基单质或化合物，使得阳极既能有良好的导电性，又能有良好的稳定性，同时具有高的催化活性且阳极催化剂及利用该阳极催化剂制备的膜电极制备方法简单、利于推广、且安全性高，没有有害物质的溶出。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阳极催化剂的制备方法的流程示意图；图2是本申请一实施例的膜电极的制备方法的流程示意图；图3是本申请中实施例1所制备的阳极催化剂的XRD图谱；图4是本申请的实施例1、实施例2和实施例3所制备的催化剂的线性扫描图谱；图5是本申请的实施例制备的膜电极的剖面结构示意图；图6是本申请的实施例1、实施例2和实施例3所制备的催化剂的臭氧浓度产生曲线。具体实施方式如
技术介绍
中所述，现有技术中采用的阳极催化剂的性能有待进一步提高。目前，掺杂金刚石、掺杂氧化锡、铂基材料等成为了研究对象，尽管其臭氧选择性能达到要求，然而其稳定性与实际要求还有较大的差距。其中铱基材料是一种众所周知的金属导电性材料，具有良好的抗阳极溶解性，其通常使用于析氧反应，且具有良好催化性能。但铱基材料较少被作为臭氧的催化剂，主要是由于铱基材料的选择性不足。如何选择合适的铱基催化剂载体，为其在水电解过程中提供更多的活性位点，是目前亟待解决的问题。本申请中提出一种新的稳定性好，选择性高且无毒的阳极催化剂，及采用该阳极催化剂的膜电极。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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于纯水电解制臭氧的阳极催化剂，其特征在于，包括：铱基材料和掺杂成分的混合物，所述掺杂成分包括：铌单质、钽单质、含铌化合物以及含钽化合物中的至少一种。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于纯水电解制臭氧的阳极催化剂，其特征在于，包括：铱基材料和掺杂成分的混合物，所述掺杂成分包括：铌单质、钽单质、含铌化合物以及含钽化合物中的至少一种。


2.根据权利要求1中所述的阳极催化剂，其特征在于，所述混合物内，铱元素所占摩尔百分比为30mol％～60mol％。


3.根据权利要求1中所述的阳极催化剂，其特征在于，所述铱基材料包括IrO2和/或Ir单质，掺杂成分包括Nb、Nb2O5、Ta、Ta2O5中的至少一种。


4.一种用于纯水电解制臭氧的阳极催化剂的制备方法，其特征在于，包括：
步骤a:将含有金属元素的前驱体以不同的摩尔比加入碱性水溶液中，形成混合溶液，所述金属元素包括铱和掺杂金属，所述掺杂金属包括铌和钽中的至少一种；
步骤b：将混合溶液升温至反应温度，并恒温搅拌，得到碱性沉淀物溶液；
步骤c：将所述碱性沉淀物溶液与多孔纳米碱金属氧化物混合，形成混合物；
步骤d：在空气氛围下，将步骤c得到的所述混合物进行煅烧，获得膜电极阳极催化剂。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述反应温度为60℃～70℃。


6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧温度为800～900℃，煅烧时间为1h～5h，使得掺杂金属与铱基结合，也有利于空位形成。


7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤a中，含铱元素的前驱体的摩尔百分比为30mol％～60mol％。


8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤a中，含铱元素的前驱体包括Ir、IrCl3和H2IrCl6中的至少一种；含掺杂金属的前驱体包括Ta2O5、TaCl5、TaC、Nb2O5、NbCl5、NbC、Ta以及Nb中的至少一种。


9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤a中，所述碱性水溶液的pH值范围为10-12。


10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤a中，所述碱性水溶液的浓度为0.02mol/L～0.03mol/L；所述碱性水...

【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