一种铱负载金属氧化物的核壳催化剂、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种铱负载金属氧化物的核壳催化剂、其制备方法及应用。所述核壳催化剂包括作为内核的金属氧化物和包覆在所述内核上的外壳，所述外壳为铱纳米粒子，所述金属氧化物包括二氧化钛、五氧化二铌、氧化钽、氧化钨或氧化锡中的任意一种或多种，所述金属氧化物表面修饰有功能基团，所述功能基团包括

【技术实现步骤摘要】
一种铱负载金属氧化物的核壳催化剂、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及材料化学及电催化
，具体涉及一种铱负载金属氧化物的核壳催化剂、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]氢能具有清洁、可再生和能量密度高的优点，是一种潜在的非碳能源载体，通过电解水将电能转化为氢能燃料被认为是一种高效、可持续的储能技术。在可再生能源驱动电解水制氢技术中，质子交换膜(PEM)电解槽由于具有效率高、适用电流密度高、能够间歇运行、产氢高和体积小的优点而有望发挥重要作用。然而，由于电解水的阳极析氧反应(OER)传递过程中需要四个电子，导致其动力学较为缓慢，过电位较高，同时阳极的腐蚀环境，导致目前只有铱基催化剂是符合质子交换膜的阳极析氧反应中催化剂活性和稳定性标准的催化剂，但由于金属铱成本较高，限制了铱基催化剂的实际应用。因此，设计并制备一种具有低Ir负载量，同时OER性能良好、耐腐蚀、稳定的新型催化剂是至关重要的。
[0003]目前，致力于提高铱基OER催化剂活性的研究可分为两类：一是通过设计材料提升催化剂的内在活性；二是提高电极形态和电解池构造。在催化剂层尺度上，使用催化剂载体可以大大提高催化剂的利用率，并能在低负载量下提高催化剂层的界面和结构稳定性。有相关文献曾报道微米大小的钛金属颗粒作为铱基催化剂的载体可改善铱基催化剂在阳极内的分散，极大的提高催化剂的利用率。然而，钛金属微粒在电解工作条件下可能会逐渐被氧化，从而增加阳极的内电阻。然而二氧化钛等金属氧化物与钛金属颗粒相比，其电导率虽然较低，但其稳定性较高、成本低、丰富度高，目前使用二氧化钛等金属氧化物作为载体的催化剂能表现出良好的性能。但目前还没有采用二氧化钛等金属氧化物作为铱基催化剂的载体的相关报道。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种铱负载金属氧化物的核壳催化剂、其制备方法及应用。所述核壳式催化剂以金属氧化物为载体，负载金属铱，可大大降低贵金属铱的用量，将其作为酸性析氧反应催化剂，能够获得较高的OER活性和稳定性。
[0005]为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种核壳催化剂，包括作为内核的金属氧化物和包覆在所述内核上的外壳，所述外壳为铱纳米粒子。
[0007]优选地，所述金属氧化物包括二氧化钛、五氧化二铌、氧化钽、氧化钨或氧化锡中的任意一种或多种。
[0008]优选地，所述金属氧化物表面修饰有功能基团，所述功能基团包括
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NH2和/或
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SH。
[0009]优选地，所述金属氧化物与铱纳米粒子的质量比为1：(0.6～1.5)。
[0010]优选地，所述铱纳米粒子的粒径为4～8nm。
[0011]第二方面，本专利技术提供一种上述核壳催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0012]将表面修饰有功能基团的金属氧化物、铱源、溶剂和表面活性剂混合后在80～120℃的惰性气氛中进行溶剂热反应，然后将得到的产物在200～500℃的惰性气氛中进行热处理，得到所述核壳催化剂。
[0013]优选地，所述铱源选自氯铱酸、乙酰丙酮铱、氯化铱、氯铱酸钾、氯铱酸钠或醋酸铱中的任意一种或多种。
[0014]优选地，所述溶剂选自乙醇、乙二醇或异丙醇中的任意一种或多种。
[0015]优选地，所述表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、乙二胺四乙酸或聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种或多种。
[0016]优选地，所述铱源与表面活性剂的质量比为10∶(0～1)。
[0017]优选地，所述铱源与溶剂的质量比为0.1∶(1～2)。
[0018]优选地，所述溶剂热反应的时间为4～8h。
[0019]优选地，所述热处理的时间为2～4h。
[0020]优选地，所述表面修饰有功能基团的金属氧化物由金属氧化物和含有功能基团的分子在60～130℃下反应8～36h后制备得到。
[0021]优选地，所述含有功能基团的分子包括尿素、巯基乙酸、硫脲或3
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巯基苯甲酸中的任意一种或多种。
[0022]第三方面，本专利技术提供一种上述技术方案得到的核壳催化剂在质子交换膜电解水中的应用。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0024]本专利技术提供了一种核壳催化剂，以金属氧化物为内核，将金属铱均匀负载在内核表面，与传统的铱基催化剂相比，本专利技术没有以贵金属铱作为主体结构，而是以内核金属氧化物作为载体，能够大大减少贵金属铱的用量，降低了成本。同时，得到的核壳催化剂具有较高的OER活性、稳定性和抗酸腐蚀性，具有较高的工业应用前景。
附图说明
[0025]图1为实施例1得到的核壳催化剂的TEM图像；
[0026]图2为实施例1得到的核壳催化剂的XRD图谱；
[0027]图3为实施例1和实施例2得到的核壳催化剂在硫酸溶液中的电化学析氧极化曲线图；
[0028]图4为实施例1和实施例2得到的核壳催化剂用于PEM电解器件的性能图；
[0029]图5为实施例3得到的核壳催化剂在硫酸溶液中的电化学析氧极化曲线图；
[0030]图6为实施例4得到的核壳催化剂在硫酸溶液中的电化学析氧极化曲线图；
[0031]图7为对比例1得到的催化剂的TEM图像。
具体实施方式
[0032]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术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。
[0033]基于本专利技术中的实施例，本领域普通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实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]针对现有技术中铱基催化剂成本高的问题，本专利技术提供了一种核壳催化剂，其包括作为内核的金属氧化物和包覆在所述内核上的外壳，所述外壳为铱纳米粒子。所述金属氧化物包括二氧化钛、五氧化二铌、氧化钽、氧化钨或氧化锡中的任意一种或多种。所述金属氧化物表面修饰有功能基团，所述功能基团包括
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NH2和/或
‑
SH。在本专利技术中，所述金属氧化物与铱纳米粒子的质量比为1∶(0.6～1.5)。所述铱纳米粒子的粒径为4～8nm，优选为5～6nm。
[0035]本专利技术提供的核壳催化剂以内核金属氧化物作为载体，负载金属铱纳米粒子，与传统的铱基催化剂相比，能够大大减少贵金属铱的用量，明显降低经济成本。所述核壳催化剂可以在质子交换膜电解水反应中作为酸性析氧反应催化剂使用，研究表明其具有较高的OER活性、稳定性和抗酸腐蚀性，有广阔的工业应用前景。
[0036]本专利技术还提供一种上述核壳催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0037]将表面修饰有功能基团的金属氧化物、铱源、溶剂和表面活性剂混合后在80～120℃的惰性气氛中进行溶剂热反应，然后将得到的产物在200～500℃的惰性气氛中进行热处理，得到所述核壳催化剂。
[0038]为了保证金属铱能够负载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铱负载金属氧化物的核壳催化剂，其特征在于，包括作为内核的金属氧化物和包覆在所述内核上的外壳，所述外壳为铱纳米粒子；所述金属氧化物包括二氧化钛、五氧化二铌、氧化钽、氧化钨或氧化锡中的任意一种或多种；所述金属氧化物表面修饰有功能基团，所述功能基团包括
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NH2和/或
‑
SH。2.根据权利要求1所述的核壳催化剂，其特征在于，所述金属氧化物与铱纳米粒子的质量比为1∶(0.6～1.5)。3.根据权利要求1所述的核壳催化剂，其特征在于，所述铱纳米粒子的粒径为4～8nm。4.根据权利要求1～3中任一项所述的核壳催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将表面修饰有功能基团的金属氧化物、铱源、溶剂和表面活性剂混合后在80～120℃的惰性气氛中进行溶剂热反应，然后将得到的产物在200～500℃的惰性气氛中进行热处理，得到所述核壳催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述铱源选自氯铱酸、乙酰丙酮铱、氯化铱、氯铱酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：王功名，王依帆，黄婷，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：