一种PEM电解水催化剂、其制备方法及用途技术

本发明专利技术公开了一种催化剂，其包括载体和均匀负载于其表面的贵金属氧化物颗粒。本发明专利技术还公开了所述催化剂的制备方法及用于酸性介质中电解水析氧反应电极的用途。本发明专利技术的催化剂具有优异的酸性析氧活性和稳定性，大幅度的减少了贵金属的用量，优于商业贵金属催化剂。优于商业贵金属催化剂。优于商业贵金属催化剂。

【技术实现步骤摘要】
一种PEM电解水催化剂、其制备方法及用途


[0001]本专利技术属于材料领域，具体涉一种耐酸载体负载粒径可控的贵金属氧化物催化剂、其制备方法及其在酸性PEM电解水析氧反应中电极材料的用途。

技术介绍

[0002]面对能源结构优化，全球可持续发展战略的实施；日益严峻的环境问题与日益枯竭的化石能源，使得风能，水能、地热能等可再生能源的开发迫在眉睫。氢能由于来源丰富，高热效率以及干净清洁，被看作取代化石燃料最理想的选择。在氢能产业中，利用可再生能源制取的氢被称为“绿氢”。只有大力发展“绿氢”才能实现真正意义上的“净零排放”。可再生能源发电耦合电解水技术是目前最具吸引力的制备“绿氢”的有效途径。质子交换膜(PEM)电解槽具有良好的灵活性和响应性，使其能够快速适应电压的变化，更好地配合不可控的风、光、水资源，从而在多元化的电力市场中获得收益。因此，PEM电解水制氢是当前能与可再生能源发电设备耦合的不二之选，被认为是极具发展前景的电解水制氢技术。
[0003]和析氢反应相比，析氧反应是四电子转移过程，具有单重态反应物到三重态氧气产物形成的高反应能垒，因此动力学缓慢的析氧反应严重制约了制氢的效率。此外，在酸性和强氧化电位的严苛操作条件下，大部分析氧催化剂电极都难以承受这样的双重腐蚀条件，因此阳极催化剂的选择十分受限，其中IrO2或RuO2等仍是目前最佳的商用催化剂粉末，但由于贵金属价格昂贵、储量稀少，阻碍了其大规模应用。因而，研究具备高活性且优异稳定性的低贵金属催化剂具有非常重要的现实意义。由于在酸性介质中，催化剂电极易发生腐蚀、溶解、重构等不稳定现象，所以兼顾其活性与稳定性是设计催化剂电极时需要考虑的首要问题。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术开发出一种耐酸金属氧化物载体均匀负载粒径可控的贵金属氧化物催化剂。本专利技术的催化剂可以用于PEM水电解槽中的阳极电极。本专利技术的催化剂降低了贵金属的用量，获得了优异的析氧活性和稳定性。本专利技术的催化剂制备工艺简单，反应条件温和，无高温高压等苛刻条件。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]本专利技术第一方面公开了一种催化剂，其包括载体和均匀负载于其表面的贵金属氧化物颗粒。
[0008]优选地，所述贵金属氧化物的颗粒直径为1.0～2.5nm。
[0009]优选地，所述载体为TiO2、SnO2或MnO2中的一种或几种；所述贵金属氧化物为IrO2或RuO2；其中载体与贵金属氧化物中的贵金属的质量比为100∶(4 ～40)；所述载体为TiO2、SnO2或MnO2纳米颗粒或纳米棒。
[0010]本专利技术第二方面公开了所述催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011](1)准备载体；
[0012](2)将步骤(1)的载体分散到溶剂中；
[0013](3)将贵金属盐前驱体和硝酸盐加入到步骤(2)的分散液中，超声处理；
[0014](4)将步骤(3)得到的分散液进行球磨处理；
[0015](5)将步骤(4)得到的球磨液烘干得到固体粉末；一般在油浴中进行烘干；
[0016](6)将步骤(5)得到的固体粉末焙烧，得到金属氧化物固体粉末；一般在马弗炉中进行热处理，使金属盐前驱体氧化为金属氧化物；
[0017](7)将步骤(6)得到的固体粉末进行离心洗涤，冷冻干燥；即得到所述催化剂。
[0018]优选地，步骤(1)的载体为TiO2、SnO2或MnO2中的一种或几种。
[0019]优选地，步骤(2)的溶剂为乙醇或异丙醇中的一种。
[0020]优选地，步骤(3)所述的贵金属盐前驱体为铱盐或钌盐中的一种，如氯铱酸水合物、四氯化铱、三氯化钌等贵金属盐中的一种或几种；所述的硝酸盐为硝酸钠或硝酸钾中的一种；贵金属盐前驱体的加入量控制产物中载体与贵金属的质量比为100:(4～40)。
[0021]优选地，步骤(4)的球磨速率为200
‑
1000r/min，时间为2～4h。
[0022]本专利技术第三方面公开了所述催化剂用于酸性介质中电解水析氧反应电极的用途，即用于PEM电解水中的阳极材料的用途。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024]1、本专利技术首次制备出了耐酸金属氧化物载体负载贵金属氧化物颗粒的催化剂并用于酸性介质中电解水析氧反应电极的用途。目前商用的催化剂电极仍为 IrO2、RuO2，价格昂贵，本专利技术通过将贵金属氧化物负载在耐酸载体上，大幅度地降低了贵金属的用量，并且提高了催化剂的活性与稳定性。贵金属氧化物颗粒粒径可以控，在载体表面上分布均匀，减少了贵金属氧化物颗粒的团聚，使其活性位点充分暴露。将本专利技术的催化剂用于PEM电解水中的阳极电极材料，可以提高电解水的析氧活性并且具有长期的稳定性。
[0025]2、本专利技术的制备方法采用球磨与亚当斯熔融法相结合，在温和的条件下将贵金属氧化物颗粒均匀地负载在耐酸金属氧化物表面，且贵金属氧化物颗粒的粒径可控制在1.0～2.5nm。采用球磨与亚当斯熔融法相结合，可以使贵金属氧化物颗粒分布更加均匀。现有技术采用搅拌混合的方法，贵金属氧化物颗粒分布不均匀且团聚，活性相对较差。
[0026]3、本专利技术所选用的载体为耐酸金属氧化物TiO2、SnO2或MnO2；耐酸金属氧化物作为电极在酸性介质中进行析氧可以保持稳定，不被腐蚀；本专利技术的制备方法可以拓展到氧化钨、氧化钒等其他在酸性介质中也可稳定的氧化物上。载体耐酸金属氧化物可以选择商品氧化物，因为商品氧化物的形貌控制较好，制备技术成熟，容易获得。载体耐酸金属氧化物也可以现场制备，特别是需要具有特定性能的氧化物，如带有金属缺陷、杂原子掺杂等金属氧化物。
[0027]4、本专利技术的催化剂的贵金属氧化物颗粒与耐酸金属氧化物载体之间相互作用，优化了内部电子结构，降低了阳极析氧反应的过电势(见附图3)，在酸性介质中具有一定的耐腐蚀性。
[0028]5、本专利技术的耐酸载体负载贵金属氧化物催化剂成本低于商业催化剂，适于大规模生产和应用。
附图说明
[0029]图1为实施例1制备的TiO2负载IrO2催化剂的XRD曲线；
[0030]图2为实施例1制备的TiO2负载IrO2催化剂的TEM图；
[0031]图3为实施例2制备的MnO2负载IrO2催化剂的酸性析氧活性LSV曲线；
[0032]图4为实施例2制备的MnO2负载IrO2催化剂的稳定性测试曲线。
具体实施方式
[0033]以下通过实施例来详细说明本专利技术的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本专利技术的技术方案，而不能解释为是对本专利技术技术方案的限制。在本申请的各实施例中，没有注明具体技术或条件者，按照本领域内现有技术或条件进行，所使用的材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
[0034]实施例1：
[0035]将100mg粒径为20～30nm的商业金红石相TiO2加入到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化剂，其特征在于，其包括载体和均匀负载于其表面的贵金属氧化物颗粒。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述贵金属氧化物的颗粒直径为1.0～2.5nm。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述载体为TiO2、SnO2或MnO2中的一种或几种；所述贵金属氧化物为IrO2或RuO2；其中载体与贵金属氧化物中的贵金属的质量比为100∶(4～40)。4.一种根据权利要求1
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3任一所述催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)准备载体；(2)将步骤(1)的载体分散到溶剂中；(3)将贵金属盐前驱体和硝酸盐加入到步骤(2)的分散液中，超声处理；(4)将步骤(3)得到的分散液进行球磨处理；(5)将步骤(4)得到的球磨液烘干得到固体粉末；(6)将...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹吉军，黄振峰，潘伦，张香文，闫天晴，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：