一种制备高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的方法技术

本发明专利技术提供一种制备高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的方法。通过非聚焦高能脉冲激光对液相中高结晶性、大尺寸铱纳米颗粒进行剥离，使其破碎成小尺寸的铱纳米颗粒，同时保留原始的高结晶性，克服了铱纳米颗粒高结晶性与小尺寸难以兼容的难题。该方法合成的铱纳米颗粒对析氧反应不仅有高的电催化活性，还具备优异的耐久性。本发明专利技术所述工艺简单、易放量生产，在PEM水电解制氢阳极催化剂领域有广泛的应用前景。电解制氢阳极催化剂领域有广泛的应用前景。电解制氢阳极催化剂领域有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种制备高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的方法


[0001]本专利技术属于质子交换膜（PEM）水电解制氢阳极催化剂领域，特别涉及一种制备高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的方法。

技术介绍

[0002]在众多水电解技术中，质子交换膜（PEM）水电解制氢技术具有总体效率高、工作电流密度高、氢体积分数高、产气压力高、动态响应速度快、能适应可再生能源发电波动性等优点，被认为是极具发展前景的水电解制氢技术。目前，商用PEM水电解膜电极的阴、阳极催化剂分别为铂和铱基纳米材料，其中，析氧侧铱基催化剂的催化活性与稳定性对膜电极的效率和使用寿命起着至关重要的作用。对于铱纳米颗粒催化剂，减小粒径有利于提升催化剂对析氧反应（OER）的电催化活性，提高结晶度有利于提升其耐久性。目前，合成铱纳米颗粒的最常用方法大体可以分为两类。一类是液相还原法，在铱的前驱体（氯铱酸、氯化铱、醋酸铱等）溶液中加入还原剂，采用溶剂热或者高温液相法得到铱纳米颗粒，该方法的产物粒径往往比较小（小于5nm），从而展现出较高的OER电催化活性，但由于反应温度低（不超过200℃），所得铱纳米颗粒的结晶度不是很高，其耐久性无法达到商用铱基催化剂的寿命要求（大于100000小时）。另一类是高温热处理法，利用还原性气体（氢气、一氧化碳）将铱的前驱体直接还原得到单质铱纳米颗粒，要想得到高结晶度铱，必须具备较高的热处理温度（大于500℃），而高温下铱纳米颗粒极易聚集长大，其OER电催化活性也会急剧降低。因此，如何制备高结晶性且尺寸小的铱纳米颗粒是PEM水电解制氢阳极催化剂领域的难题。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种制备高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的方法，解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0004]本专利技术通过以下的技术方案实现：一种制备高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的方法，包括以下步骤：将高结晶性、大尺寸的铱纳米颗粒粉末加入液相介质中，剪切分散得到均匀的铱胶体溶液；利用非聚焦高能脉冲激光辐照铱胶体溶液，辐照过程中持续对铱胶体溶液进行匀速搅拌；通过离心分离、60 ℃真空干燥后得到高结晶性、小尺寸的铱纳米颗粒粉末。
[0005]作为一优选的实施方式，所述液相介质为去离子水。
[0006]作为一优选的实施方式，铱胶体溶液的浓度为10~20 mg/mL。
[0007]作为一优选的实施方式，非聚焦高能脉冲激光的波长为532 nm，脉宽为7 ns，频率为20 Hz，能量密度为200~400 mJ/cm2，激光辐照铱胶体溶液的时间为5~15 min。
[0008]采用了上述技术方案后，本专利技术的有益效果是：利用高能脉冲激光剥离液相中的高结晶性、大尺寸铱纳米颗粒，得到了高结晶性、小尺寸的铱纳米颗粒，克服了铱纳米颗粒
高结晶性与小尺寸难以兼容的难题，使铱纳米颗粒对析氧反应不仅有高的电催化活性，同时还具备优异的耐久性。本专利技术所述工艺简单、易放量生产，在PEM水电解制氢阳极催化剂领域有广泛的应用前景。
附图说明
[0009]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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0010]图1是激光剥离高结晶性、大尺寸铱黑纳米颗粒的过程示意图；图2是高结晶性、大尺寸铱纳米颗粒的TEM图片；图3是高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的TEM图片；图4是高结晶性、小尺寸铱与高结晶性、大尺寸铱的PEM膜电极性能对比图；图5是高结晶性、小尺寸铱与低结晶性、小尺寸铱的PEM膜电极耐久性对比图。
具体实施方式
[0011]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通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，都属于本专利技术保护的范围。
[0012]请参阅图1，本专利技术提供一种技术方案：一种制备高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的方法，包括以下步骤：将高结晶性、大尺寸的铱纳米颗粒粉末加入液相介质中，剪切分散得到均匀的铱胶体溶液；利用非聚焦高能脉冲激光辐照铱胶体溶液，辐照过程中持续对铱胶体溶液进行匀速搅拌；通过离心分离、60 ℃真空干燥后得到高结晶性、小尺寸的铱纳米颗粒粉末。
[0013]液相介质为去离子水。
[0014]铱胶体溶液的浓度为10~20 mg/mL。
[0015]非聚焦高能脉冲激光的波长为532 nm，脉宽为7 ns，频率为20 Hz，能量密度为200~400 mJ/cm2，激光辐照铱胶体溶液的时间为5~15 min。
[0016]作为本专利技术的一个实施例：PEM膜电极测试方法：将制好的膜电极夹入测试夹具中，测试过程中高纯水的流速为100 mL/min，夹具温度和水温均为60℃，无背压，测试极化曲线前，先在1A/cm2电流密度下活化60 min；耐久性测试采用恒电流模式，设定电流密度为2A/cm2。
[0017]图2和图3分别显示的是高结晶性、大尺寸铱纳米颗粒（激光辐照前）与高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒（激光辐照后）的TEM图片。
[0018]图2中的铱纳米颗粒是高温热处理法（550℃）制备的，产物中粒径不均一，大尺寸铱纳米颗粒的粒径约为50~100nm。激光辐照后，大尺寸铱被剥离成很多小尺寸的铱纳米颗
粒（图3），所得小尺寸铱纳米颗粒粒径分布均匀，平均粒径在4~8nm范围内。
[0019]作为本专利技术的一个实施例：将150 mg高结晶性、大尺寸的铱纳米颗粒粉末加入10 mL去离子水中，剪切分散10 min后得到铱胶体溶液，剪切转速为16000 rpm；随后，利用非聚焦高能脉冲激光辐照铱胶体溶液（如图1所示），激光波长为532 nm，脉宽为7 ns，频率为20 Hz，能量密度为300 mJ/cm2，辐照时间为10 min；最后，通过离心分离、60 ℃真空干燥后得到高结晶性、小尺寸的铱纳米颗粒粉末；取100 mg制备的铱纳米颗粒粉末（铱载量为1.0mg/cm2），加入5g去离子水、7.5g异丙醇和1.5g 5wt.% Nafion溶液，超声分散30min得到阴极催化剂浆料；取100 mg75wt.%铂碳催化剂，铂载量为0.5mg/cm2，加入5g去离子水、7.5g异丙醇和1.5g 5wt.% Nafion溶液，超声分散30min得到阳极催化剂浆料；将阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料分别喷涂至质子交换膜（Nafion 115）的两侧，即得到PEM膜电极。
[0020]图4显示的是高结晶性、小尺寸铱与高结晶性、大尺寸铱的PEM膜电极性能对比结果。
[0021]大尺寸铱催化剂的PEM膜电极性能较差，在1A/cm2、2A/cm2电流密度下的电压分别为1.71V和1.93V，该数值要明显高于小尺寸铱的1.66V与1.83V，这说本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：将高结晶性、大尺寸的铱纳米颗粒粉末加入液相介质中，剪切分散得到均匀的铱胶体溶液；利用非聚焦高能脉冲激光辐照铱胶体溶液，辐照过程中持续对铱胶体溶液进行匀速搅拌；通过离心分离、60 ℃真空干燥后得到高结晶性、小尺寸的铱纳米颗粒粉末。2.如权利要求1所述的一种制备高结晶性、小尺寸铱纳米颗粒的方法，其特征在于：所述液...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇卓，吴守良，梁长浩，刘俊，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：