一种层状Sr4Ir3O制造技术

一种层状Sr4Ir3O

【技术实现步骤摘要】
一种层状Sr4Ir3O
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低铱催化剂的制备及酸性电解水制氢中的应用


[0001]本专利技术属于氢能源材料
，尤其是涉及一种具有高催化活性高稳定性的Sr4Ir3O
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低铱催化剂及其在酸性水电解制氢中的应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着能源危机和环境问题的日益突出，发展氢能源，逐步减少并取代化石能源的使用成为焦点。全球能源格局正在经历由依赖传统化石能源向追求清洁高效能源的深刻转变，我国也在大力发展清洁能源，减少传统化石能源的使用，积极寻找替代能源。
[0003]氢气作为一种理想的二次能源载体，其使用过程中只排放水，不排放其他有害气体或固体颗粒。氢气(H2)作为一种零排放的可再生能量载体，具有高的能量密度(142MJ/kg，约为同等质量焦炭的4.5倍、汽油的3倍、酒精的3.9倍)、优异的能量转换效率和无污染(燃烧产物为水，无温室气体CO2排放，几乎是真正意义上的零排放)等优点，可以看作是后石油时代应对能源枯竭和环境问题的理想燃料，能有效缓解日趋严重的环境问题。面对潜在的大规模的用氢需求，急需发展高效、绿色的制氢技术。电解水制氢被认为是最可行的清洁制氢技术，通过废热或可再生间歇性能源(风能或太阳能)产生的电就能将水分解为高纯度绿氢。然而，酸性水电解制氢过程中阳极氧析出(OER)反应过电位造成电解水电能损耗过大，催化剂中贵金属用量过多，使用寿命过短，已经成为制约其大规模商业化应用的瓶颈问题之一。因此，制备出高活性、长寿命、低贵金属用量的电解水阳极催化剂成为了提高电解水效率、降低成本的关键。
[0004]但是现有技术中未有利用新型层状结构Sr4Ir3O
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催化剂中钙钛矿层中晶格氧、盐岩层中间隙氧分别对水分解产生的氧析出位点活化效应和催化剂结构的稳定化效应，实现催化剂活性和稳定性能的大幅提高的方法。因此，Sr4Ir3O
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作为新一代高效低铱催化剂，其酸性水电解阳极氧析出反应的电催化性能全面超越了商业二氧化铱(IrO2)。催化剂合成工艺简单易行，制备条件温和，易于工业放大生产。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术上存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有高催化活性、高稳定性的Sr4Ir3O
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低铱催化剂的制备方法及其在酸性电解水中的应用。所制备得到的铱催化剂具有R
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P型钙钛矿的层状晶体结构、具有高氧析出电催化活性、长期稳定性以及低铱载量的优点。基于Sr4Ir3O
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低铱催化剂的晶格氧活化效应和间隙氧稳定化效应，因而催化剂表现出极高的氧析出电催化活性及电化学稳定性能。电催化性能全面超越了商业二氧化铱(IrO2)，可以替代商业二氧化铱成为电解水酸性介质下的阳极氧析出反应的催化剂。该催化剂的合成工艺简单易行，制备条件温和，易于工业放大生产。
[0006]为了实现专利技术目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种具有层状结构的Sr4Ir3O
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低铱催化剂的制备方法，所述的催化剂为黑色固体粉末，晶体结构为R
‑
P型层状结构的伪钙
钛矿型铱氧化物纳米颗粒。
[0007]在本专利技术的优选实施方式中，所述的Sr4Ir3O
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低铱催化剂的Ir实际负载量或含量小于理论负载量或含量即Sr：Ir的摩尔比大于等于4:3；催化剂颗粒的粒径为50
‑
100nm。
[0008]在本专利技术的优选实施方式中，所述的铱催化剂中的锶元素也可以替换成钙、钡等元素。
[0009]本专利技术还保护所述的Sr4Ir3O
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低铱催化剂的制备方法，采用金属阳离子络合、溶胶凝胶法、热处理去除络合剂与高温烧结相结合的方法，得到具有R
‑
P型钙钛矿结构的Sr4Ir3O
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低铱催化剂，实现了具有层状结构的Sr4Ir3O
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催化剂的制备。
[0010]进一步的，所述的制备方法包括如下步骤：
[0011](1)金属阳离子络合步骤：在室温下，将金属盐加入到配好的柠檬酸水溶液中，超声分散0.5h，再在磁力搅拌反应2h；
[0012](2)凝胶形成步骤：将(1)中的混合溶液放在加热台上蒸干水分，获得金属阳离子嵌在柠檬酸分子骨架中的混合凝胶；
[0013](3)凝胶改性处理步骤：将(2)所得的紫红色凝胶放入瓷舟中，在一定气氛下热处理10
‑
14h，以除去凝胶中的络合剂和残留的水分；
[0014](4)高温烧结步骤：将(3)所得的粉末在一定气氛下高温烧结10
‑
14h，得到所述的Sr4Ir3O
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低铱催化剂。
[0015]在本专利技术的优选实施方式中，步骤(1)中，柠檬酸水溶液浓度为8wt.％
‑
12wt.％，锶盐浓度为0.04
‑
0.12mM，铱盐浓度为0.02
‑
0.1mM，锶盐与铱盐的摩尔比为1:1到2:1。每0.004mol锶对应80
‑
120ml柠檬酸水溶液。
[0016]在本专利技术的优选实施方式中，步骤(1)中，所述锶盐、铱盐选自碳酸锶、硝酸锶、三氯化铱、四氯化铱等。
[0017]在本专利技术的优选实施方式中，步骤(2)中，加热温度控制在80
‑
90℃，直至水分蒸干形成凝胶。
[0018]在本专利技术的优选实施方式中，步骤(3)中，所述一定气氛为氧气或空气气氛，热处理温度为600℃，升温速率为2℃/min。
[0019]在本专利技术的优选实施方式中，步骤(4)中，所述的一定气氛为氧气或空气气氛，热处理温度为900
‑
1000℃，升温速度为3℃/min。
[0020]本专利技术还保护所述的Sr4Ir3O
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低铱催化剂用于酸性及PEM电解水的阳极氧析出催化剂。
[0021]与现有的电解水电催化剂合成技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0022]本专利技术提出一种具有层状结构的Sr4Ir3O
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低铱催化剂的制备方法，所得催化剂在微观结构上由一层盐岩结构和三层钙钛矿结构交替排列形成了具有类似Ruddlesden
–
Popper(R
‑
P)结构的伪钙钛矿型低铱催化剂。
[0023]本专利技术制备的催化剂颗粒的尺寸控制在50
‑
100纳米，大幅提高催化剂的活性比表面积，有利于降低催化剂的用量。
[0024]本专利技术通过利用金属阳离子络合的方法和溶胶凝胶法，使碱土金属阳离子和贵金属阳离子充分混合。然后通过对络合后的凝胶进行热处理，有效去除络合剂，获得混合均匀的金属粉末，为后续R
‑
P型钙钛矿结构的形成提供条件。
[0025]本专利技术通制备的Sr4Ir3O
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低铱催化剂，得到具有优异电催化活性和稳定性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层状Sr4Ir3O
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低铱催化剂，其特征在于，为黑色固体粉末，所述催化剂在微观结构上由一层盐岩结构和三层钙钛矿结构交替排列形成了具有类似Ruddlesden
–
Popper(R
‑
P)结构的伪钙钛矿型低铱催化剂纳米颗粒，Ir实际负载量或含量小于等于理论负载量或含量即Sr：Ir的摩尔比小于等于4:3；催化剂颗粒的粒径为50
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100nm。2.按照权利要求1所述的一种层状Sr4Ir3O
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低铱催化剂，其特征在于，锶盐与铱盐的摩尔比为1:1到2:1，通过锶盐、铱盐摩尔比的调节，可以对催化剂的粒径进行调控，从而获得更大比表面积的催化剂。3.制备权利要求1或2所述的层状Sr4Ir3O
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低铱催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)金属阳离子络合步骤：在室温下，将金属盐加入到配好的柠檬酸水溶液中，超声分散0.5h，再在磁力搅拌反应2h；(2)凝胶形成步骤：将(1)中的混合溶液放在加热台上蒸干水分，获得金属阳离子嵌在柠檬酸分子骨架中的混合凝胶；(3)凝胶改性处理步骤：将(2)所得的紫红色凝胶放入瓷舟中，在一定气氛下热处理10
‑
14h，以除去凝胶中的络合剂和残留的水分；(4)高温烧结步骤：将(3)所得的粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘景军，郝运，孙艳辉，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：