一种适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开一种适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）以铜箔为基底，用稀盐酸、纯水超声清洗；将铜箔转移到NaOH溶液中浸没，冰浴，滴加(NH4)2S2O8溶液，冰浴，取出铜箔，用纯水清洗，退火，得到生长于铜箔表面的Cu2O纳米棒；（2）在水热釜中，将生长于铜箔表面的Cu2O纳米棒作为牺牲模板，加入铱的盐溶液，再加入NH4F溶液和CH4N2O溶液，浸没，进行水热处理和沉淀反应，置于稀盐酸溶液中超声处理，离心清洗；（3）焙烧，冷却后洗涤，真空干燥，研磨。本发明专利技术提供的方法能制备得到具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂，催化活性好、化学耐久性长。耐久性长。耐久性长。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于水电解制氢
，具体涉及一种适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]氢气已经成为公认的未来理想能源的载体，它可由传统煤、石油、天然气等化石燃料制取，也可由风能、太阳能等清洁能源制取，可再生能源获取氢能被认为是“绿氢”。在众多制氢工艺中，质子交换膜（PEM）技术路线具有原料简单易得、结构紧凑、电流密度大、启动响应快、无温室气体排放、纯度高等优点。此外，PEM制氢技术非常适合与光伏、水电、风电等可再生能源联动，将“弃电”转换为化学能进行存储。
[0003]电解水主要涉及两个半反应过程，阴极的氢析出反应（HER）和阳极的氧析出反应（OER）。相较于阴极发生的HER反应，阳极OER反应过程更加的负载，也是制约PEM电解技术发展的主要瓶颈。OER的催化反应路径中通常涉及多步多电子的转移过程，同时存在多个含氧中间体的吸脱附过程。导致阳极需要更高的过电势去克服反应能垒，因而PEM电解水中主要的能量损失来源于阳极的高电位。传统的过渡金属催化剂很容易在高氧化电位下失活，因此OER催化剂的选择主要局限在金属氧化物。然而，OER过程中金属氧化物表面的晶格氧会直接参与反应，虽然此步骤能够降低催化反应的能垒，然而含氧官能团与晶格氧的耦合转移过程还会带来催化剂结构的坍塌，导致催化活性和耐久性的衰减。
[0004]考虑到PEM测试过程中的高氧化电位，目前为止，IrO2仍然是OER性能最优异的催化剂。但是Ir元素在地球的储量稀少，价格昂贵，增加了PEM电解水的成本。因此，如何提高IrO2的催化性能来降低IrO2的使用量是该领域的技术难点。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种适用于酸性水电解析氧的氧化铱催化剂的制备方法，能制备得到具有中空纳米棒状且具有毛刺结构的氧化铱催化剂，物相分布均匀、比表面积良好、催化活性好、化学耐久性长。
[0006]一种适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）以铜箔为基底，用稀盐酸、纯水超声清洗；随后将铜箔转移到NaOH溶液中，冰浴0.5
‑
1h，然后向其中滴加 (NH4)2S2O8溶液至体系的pH为6
‑
7，继续冰浴0.5
‑
2h，取出铜箔，用纯水清洗，得到Cu(OH)2前驱体材料，在N2保护下进行退火处理，得到生长于铜箔表面的Cu2O纳米棒；（2）在水热釜中，将所述生长于铜箔表面的Cu2O纳米棒作为牺牲模板，加入铱的盐溶液，然后加入NH4F溶液和CH4N2O溶液，同步进行水热处理和沉淀反应，获得棒状阵列样品中间体，然后置于稀盐酸溶液中进行超声处理，离心清洗，得到催化剂前驱体；
（3）将所述催化剂前驱体焙烧，冷却后先用稀盐酸溶液洗涤，再用水洗涤至清洗液中无氯离子，真空干燥，研磨。
[0007]优选地，步骤（1）中所述N2的流速为20
‑
100 sccm，所述退火处理的温度为300
‑
500 ℃，退火处理的时间为1
‑
2 h。
[0008]优选地，步骤（2）中所述水热处理的温度为100
‑
120 ℃，时间为6
‑
12 h。
[0009]优选地，步骤（2）中所述超声处理的时间为1
‑
3h。
[0010]优选地，步骤（1）中所述稀盐酸的浓度为0.5
‑
2 mol/L；步骤（2）中所述稀盐酸溶液的浓度为1
‑
3 mol/L；步骤（3）中所述稀盐酸溶液的浓度为0.1
‑
0.5 mol/L。
[0011]优选地，步骤（1）所述(NH4)2S2O8溶液的浓度为0.1
‑
2 mol/L，所述NaOH溶液的pH为8
‑
10。
[0012]优选地，步骤（2）中铱的盐溶液浓度为50
‑
200 mmol/L，所述NH4F溶液和CH4N2O溶液的浓度均为0.1
‑
2 mol/L。
[0013]优选地，所述铱的盐为三氯化铱、四氯化铱、氯铱酸、醋酸铱氯、铱酸铵或六氯铱酸钾。
[0014]优选地，步骤（3）所述焙烧的条件为：以2
‑
5℃/min的升温速率升温至400
‑
600℃下焙烧1
‑
3h；真空干燥的条件为50
‑
80℃时长5
‑
10h。
[0015]本专利技术的优点：（1）本专利技术通过水热、刻蚀、退火烧结等方法，得到了具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂，由于催化剂具有中空、毛刺、棒状结构，因此表面和内部的IrO2活性位点能够充分的与反应物质接触，同时毛刺状形貌能够促进产物O2的快速分离，加快了催化剂的传质过程；纳米棒状结构还避免了现有技术中催化剂颗粒团聚、形貌难以控制的问题；（2）本专利技术制备的氧化铱催化剂催化性能好，比表面积高。与现有的商业IrO2催化剂相比，ECSA提升了一倍，在电流密度达到10 mAcm
‑2时的氧析出电位为270
‑
290 mV，催化活性优于相同电流密度下的商业IrO2催化剂。
附图说明
[0016]图1 实施例2制备得到的催化剂的SEM谱图；图2 实施例2制备得到的催化剂的TEM谱图；图3 实施例2制备得到的催化剂的N2等温吸/脱附曲线；图4 实施例2制备得到的催化剂的孔径数据分布图；图5实施例1
‑
3制备得到的催化剂和商业IrO2催化剂的极化电流曲线；图6实施例2制备得到的催化剂和商业IrO2催化剂的双电层电容值。
具体实施方式
[0017]本专利技术实施例中选用的铜箔为2cm
×
3cm的铜箔。
[0018]实施例1一种适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）以铜箔为基底，用0.5 mol/L的稀盐酸、纯水超声清洗，去除表面的氧化物杂
质，随后将铜箔转移到pH为9的NaOH溶液中浸没，冰浴0.5h，然后向其中滴加1 mol/L的 (NH4)2S2O8溶液至体系的pH为6，继续冰浴0.5h，取出铜箔，用纯水清洗，得到Cu(OH)2前驱体材料，将所述Cu(OH)2前驱体材料置于管式炉中，在流速为50 sccm的N2气氛保护下，在400 ℃下退火处理1 h，得到生长于铜箔表面的Cu2O纳米棒；（2）在水热釜中，将所述生长于铜箔表面的Cu2O纳米棒作为牺牲模板，加入10 mL 50 mmol/L的IrCl3溶液，然后加入10 mL 0.2 mol/L的NH4F溶液和10 mL 0.2 mol/L的CH4N2O溶液，在120℃下水热处理10h同步进行沉淀反应，获得棒状阵列样品中间体，然后置于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）以铜箔为基底，用稀盐酸、纯水超声清洗；随后将铜箔转移到NaOH溶液中浸没，冰浴0.5
‑
1h，然后向其中滴加(NH4)2S2O8溶液至体系的pH为6
‑
7，继续冰浴0.5
‑
2h，取出铜箔，用纯水清洗，得到Cu(OH)2前驱体材料，在N2保护下进行退火处理，得到生长于铜箔表面的Cu2O纳米棒；（2）在水热釜中，将所述生长于铜箔表面的Cu2O纳米棒作为牺牲模板，加入铱的盐溶液，然后加入NH4F溶液和CH4N2O溶液，将所述生长于铜箔表面的Cu2O纳米棒浸没，同步进行水热处理和沉淀反应，获得棒状阵列样品中间体，然后置于稀盐酸溶液中超声处理，离心清洗，得到催化剂前驱体；（3）将所述催化剂前驱体焙烧，冷却后先用稀盐酸溶液洗涤，再用水洗涤至清洗液中无氯离子，真空干燥，研磨。2.根据权利要求1所述适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述N2的流速为20
‑
100 sccm，所述退火处理的温度为300
‑
500 ℃，退火处理的时间为1
‑
2 h。3.根据权利要求2所述适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述水热处理的温度为100
‑
120 ℃，时间为6
‑
12 h。4.根据权利要求3所述适用于酸性水电解析氧的具有毛刺结构的中空纳米棒状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述超声处...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊来飞，陈丹，颜攀敦，张洁兰，张彬雁，邱晨曦，李岳锋，
申请(专利权)人：西安凯立新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：