富氧缺陷IrO2-TiO2固溶体材料、其制法与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种富氧缺陷IrO2‑

【技术实现步骤摘要】
富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料、其制法与应用


[0001]本专利技术属于纳米材料制备以及电化学催化领域，涉及一种基于Ir基材料的制备方法，尤其涉及一种富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料及其制备方法，以及其在酸性介质中析氧反应电催化中的应用。

技术介绍

[0002]将间歇性能源如风能、太阳能和潮汐能等通过电解水技术将其转化为氢能，是未来最有希望缓解世界能源危机的方式之一。电解水制氢包括两个同时发生的半反应，即阴极上的析氢反应(hydrogen evolution reaction，HER)和阳极上的析氧反应(oxygen evolution reaction，OER)。相比于只有2个电子转移的HER，OER伴随着4个电子的转移，在动力学上较为缓慢，需要高效的析氧电催化剂以降低反应能垒加速OER的进行。经过几十年的努力，人们发展出了大量高效且稳定的碱性OER电催化剂，但在酸性OER电催化剂的发展上却少有成效，这是因为绝大多数的OER电催化剂在苛刻的酸性环境中并不稳定。然而，相关比碱性电解池，酸性质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)电解池具有更低的欧姆损耗、更高的传质速度和产物纯度、更紧凑的系统设计和更快的系统响应等诸多优势，也受到了人们更为广泛的青睐。目前缺乏高活性且稳定的酸性OER电催化剂制约着这一电催化能源转化技术的进一步发展。因此，开发高效的酸性OER电催化剂具有十分重要的意义。
[0003]经过几十年的努力人们已经发展出大量高效且稳定的碱性OER电催化剂，例如过渡金属氧化物、层状结构材料、尖晶石结构材料等，但在酸性OER电催化剂的发展上却收效甚微。目前发现的较为高效的酸性OER电催化材料主要分为两类，即Ru基电催化材料和Ir基电催化材料。其中，Ir基电催化材料的研究相对较多，主要是因为它们在酸性电化学环境中的优异稳定性，例如具有代表性的IrO2。为了发展高活性的Ir基电催化材料，人们从改变表面电子态、形貌尺寸等方面出发进行了大量的研究。然而，但是目前商业IrO2以及近些年来报道的钙钛矿型和烧绿石型的铱基材料不仅价格昂贵，而且催化活性不足。因此亟需开发一种低成本，高活性和高稳定性的Ir基酸性析氧催化剂。

技术实现思路

[0004]针对上述技术现状，本专利技术的主要目的在于提供一种富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料及其制备方法，从而克服了现有技术中的不足。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供所述富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料在酸性介质中析氧反应电催化中的应用。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0007]本专利技术实施例提供了一种富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料，其具有金红石结构，其晶胞参数介于金红石IrO2和金红石TiO2之间，并且，所述富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料表面富含氧缺陷。
[0008]本专利技术实施例还提供了一种富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料的制备方法，其包括：
[0009]将含Ir的金属盐溶于有机溶剂中，并加入活化后的Ti基金属有机框架材料混合均匀，获得吸附Ir的Ti基金属有机框架材料；
[0010]对所述吸附Ir的Ti基金属有机框架材料进行退火处理，获得富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料。
[0011]在一些实施方案中，所述含Ir的金属盐包括氯铱酸、水合三氯化铱、四氯化铱、乙酰丙酮铱中的任意一种或两种以上的组合。
[0012]在一些实施方案中，所述退火处理的温度为300～600℃，所述退火处理的时间为1～6h。
[0013]本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料。
[0014]本专利技术实施例还提供了前述富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料于酸性介质析氧反应电催化材料中的应用。
[0015]相应的，本专利技术实施例还提供了一种Ir基酸性析氧催化剂，其包括前述的富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料。
[0016]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：
[0017]1)相对于商业IrO2，本专利技术提供的富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料成本较低，并且兼具高催化活性和高稳定性的特点，是一种非常具有前景的Ir基酸性析氧催化剂；
[0018]2)在酸性条件中，本专利技术提供的富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料具有良好的电化学析氧性能和优异的稳定性，可应用于酸性电解水中的阳极催化剂，经过X射线光电子能谱(XPS)分析，该材料在电化学寿命测试前后表面均富氧缺陷，且100小时后表面的晶格氧完全消失，缺陷氧含量升高，催化性能也因此进一步提升；
[0019]3)作为酸性析氧电催化剂时，在10mA cm
‑2的电流密度下，所述富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料的过电位最低为296mV，并且能够稳定100个小时以上，且过电位(过电势)降低至276mV。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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专利技术中记载的一些实施例，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。
[0021]图1为本专利技术实施例1中制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料的粉末XRD图；
[0022]图2为本专利技术实施例1中制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料的微观形貌图；
[0023]图3为本专利技术实施例2中制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料的微观形貌图；
[0024]图4为本专利技术实施例3中制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料的微观形貌图；
[0025]图5为本专利技术实施例1、2、3制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料的粉末XRD图；
[0026]图6为本专利技术实施例1、2、3制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料的线性扫描伏安(LSV)曲线图；
[0027]图7为本专利技术实施例1中制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料以及商业IrO2在10mA cm
‑2下的电化学寿命测试图；
[0028]图8为本专利技术实施例1中制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料以及商业IrO2的电化学寿命
测试100小时前后的线性扫描伏安(LSV)曲线图；
[0029]图9为本专利技术实施例1中制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料中铱4fXPS能谱图；
[0030]图10为本专利技术实施例1中制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料中氧1s XPS能谱图；
[0031]图11为本专利技术实施例4制得的IrO2‑
TiO2固溶体材料的粉末XRD图；
[0032]图12本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料，其特征在于，所述富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料具有金红石结构，其晶胞参数介于金红石IrO2和金红石TiO2之间，并且，所述富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料表面富含氧缺陷；优选的，所述富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料中所含缺陷氧与晶格氧的浓度比为1∶1～6∶1。2.一种富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料的制备方法，其特征在于包括：将含Ir的金属盐溶于有机溶剂中，并加入活化后的Ti基金属有机框架材料混合均匀，获得吸附Ir的Ti基金属有机框架材料；对所述吸附Ir的Ti基金属有机框架材料进行退火处理，获得富氧缺陷IrO2‑
TiO2固溶体材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述含Ir的金属盐包括氯铱酸、水合三氯化铱、四氯化铱、乙酰丙酮铱中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述含Ir的金属盐与活化后的Ti基金属有机框架材料的质量比为x∶1，其中，0＜x≤2，优选为0＜x≤1。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述Ti基金属有机框架材料包括NH2‑
MIL
‑
125；优选的，所述Ti基金属有机框架材料中包含Ti
4+
，以及对苯二甲酸或者二氨基对苯二甲酸配体。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于包括：对Ti基金属有机框架材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亮，武斌，林贻超，李涛，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：