一种催化剂及其制备方法技术

一种催化剂及其制备方法，属于电解水制氢技术领域；催化剂包括IrO2和RE2Ir2O7的晶态复合物，RE2Ir2O7的晶型为烧绿石型；RE2Ir2O7中的RE为镧系稀土元素；利用RE2Ir2O7的高析氧催化活性，提高了整个催化剂的析氧催化活性；利用IrO2来和RE2Ir2O7在析氧过程中表面发生重构生成的非晶态IrO

【技术实现步骤摘要】
一种催化剂及其制备方法


[0001]本申请涉及电解水制氢
，具体而言，涉及一种催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]相对于传统化石能源，氢气是一种高能量密度载体。现阶段以质子交换膜水电解为代表的电解水技术具有快速的电流响应，高的工作电流密度以及产氢纯度的优点，是实现大规模电能向氢能转化的理想途径。传统的质子交换膜水电解用阳极催化剂主要依赖贵金属IrO2，通常所需用于克服阳极本征势垒所需的过电位仅介于300～350mV。同时，受贵金属Ir低的地表储量、高昂价格等因素的影响，质子交换膜水电解系统的产业化受到严重限制。
[0003]有学者提出了以铱酸盐烧绿石(A2B2O7)、钙钛矿(ABO3)为代表的催化剂，该类催化剂能够在低铱用量下超越传统IrO2的酸性析氧催化活性，是目前质子交换膜水电解用阳极催化剂的主要研究对象，如Y2Ir2O7(J.Phys.Chem.C 2022,126,1751
‑
1760)和SrIrO3(ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,42006
‑
42013)。但这些铱酸盐作为析氧催化剂时，表面将发生不可逆的结构演变、如A位阳离子脱除及表面原位重构生成IrO
x
。尽管IrO
x
依然具有超越IrO2的析氧活性，但在酸性介质高氧化电位下使用时，将进一步氧化为更高价态的可溶性铱酸盐，导致催化剂的析氧稳定性较低。
[0004]目前针对铱酸盐化合物析氧稳定性提升的手段主要为B位元素掺杂，包括Cr、Zr、Ti等，主要原理是利用A位元素表面脱除后，Cr、Zr、Ti与Ir形成相应耐酸抗氧化的复合金属氧化物，从而抑制铱酸盐从表面向内部的重构演变和结构崩溃。虽然其催化稳定性得到大幅度提升，但析氧活性却因IrOx生成的数量太少而发生下降。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于提供一种催化剂及其制备方法，其能够兼顾催化剂的析氧活性和析氧稳定性。
[0006]第一方面，本申请实施例提供了一种催化剂，所述催化剂为IrO2和RE2Ir2O7的晶态复合物，所述RE2Ir2O7的晶型为烧绿石型；所述RE2Ir2O7中的RE为镧系稀土元素。
[0007]在上述实施过程中，该晶态复合物中的IrO2和RE2Ir2O7之间通过Ir
‑
O键连接，两者的晶格发生交缠，利用RE2Ir2O7的高析氧催化活性，提高了整个催化剂的析氧催化活性；利用IrO2来和RE2Ir2O7在析氧过程中表面发生重构生成的非晶态IrO
x
形成氧化物异质结，该氧化物异质结能够在高电位下稳定活性相，避免IrO
x
氧化成更高价态的可溶性铱酸盐，进而增强了催化剂的析氧稳定性，同时，该氧化物异质结综合了晶相IrO2优良的导电性以及IrO
x
非晶相丰富的活性位点的优势，能够有效调节了电子结构以及对析氧反应中间体吸附能。
[0008]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，所述IrO2和RE2Ir2O7的摩尔比为(0.1
‑
2)：1。控制IrO2和RE2Ir2O7的摩尔比为(0.1
‑
2)：1，使得该催化剂能够更好的兼顾析氧催化活性和析氧稳定性。
[0009]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，所述镧系稀土元素包括Y、La、Nd、Sm、Gd、Dy和Er中的至少一种。本领域技术人员可根据实际需要对RE进行选择，具体可以选自Y、La、Nd、Sm、Gd、Dy或Er及其的组合。
[0010]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，所述催化剂的平均粒径为纳米级；或
[0011]所述催化剂的平均粒径为100
‑
500nm。控制催化剂的平均粒径为纳米级能够有效的保证催化剂的析氧催化活性，其中将平均粒径控制为100
‑
500nm的效果更佳。
[0012]结合第一方面，本申请可选的实施方式中，所述催化剂还包括IrO
x
，其中x的取值为3
‑
4，所述IrO
x
和所述晶态复合物中的IrO2耦合，以形成晶态和非晶态的氧化物异质结。催化剂中的IrO2和非晶态IrO
x
形成氧化物异质结，该氧化物异质结能够在高电位下稳定活性相，避免IrO
x
氧化成更高价态的可溶性铱酸盐，进而增强了催化剂的析氧稳定性，同时，该氧化物异质结综合了晶相IrO2优良的导电性以及IrO
x
非晶相丰富的活性位点的优势，能够有效调节了电子结构以及对析氧反应中间体吸附能。
[0013]第二方面，本申请实施例提供了一种催化剂的制备方法，所述方法包括：
[0014]获取合金带，所述合金带含有RE元素、Ir元素和分散金属元素，所述Ir元素和RE元素的摩尔比大于1，所述RE为镧系稀土元素；
[0015]对所述合金带进行分散金属元素的去除，后于含氧气氛中进行煅烧，以形成IrO2和RE2Ir2O7的晶态复合物，所述RE2Ir2O7的晶型为烧绿石型，得到催化剂。
[0016]在上述实施过程中，IrO2和RE2Ir2O7之间通过Ir
‑
O键连接，两者的晶格发生交缠，制得IrO2和RE2Ir2O7的晶态复合物。该晶态复合物用作催化剂，能够兼顾析氧催化活性和析氧稳定性。同时采用该方法还能通过调整分散金属元素的占比来实现对晶态复合物的粒径大小进行调节，实现对晶态复合物的粒径大小控制来调整催化剂的析氧催化活性。
[0017]结合第二方面，本申请可选的实施方式中，所述煅烧的温度为600
‑
1000℃；和/或
[0018]所述煅烧的时间为5
‑
10h。控制煅烧的温度和时间能够保证得到的产物为晶态的复合物，同时能够避免复合物的快速长大，进而保证了催化剂的析氧催化活性，还能兼顾制备的能耗。
[0019]结合第二方面，本申请可选的实施方式中，所述获取合金带，具体包括：
[0020]获取RE源、Ir源和分散金属源；
[0021]把所述RE源、Ir源和分散金属源混合后进行电弧熔炼，冷却后破碎得到合金碎料；
[0022]对所述合金碎料进行感应熔炼，得到熔炼液；
[0023]把所述熔炼液喷射于旋转轮进行急冷，得到合金带；
[0024]其中，所述喷射的喷射压力为0.5
‑
2MPa，所述旋转轮的旋转线速度为20
‑
40m/s。控制喷射压力能够保证合金带的厚薄均匀，以便于后续分散金属元素的完全去除。
[0025]结合第二方面，本申请可选的实施方式中，所述分散金属元素包括Al元素，所述分散金属元素的去除为碱液浸泡去除，所述碱液浸泡去除的碱液摩尔浓度为2
‑
10mol/L，所述碱液浸泡去除的去除时间为12
‑
24h，所述碱液浸泡去除的浸泡温度为50...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化剂，其特征在于，所述催化剂包括IrO2和RE2Ir2O7的晶态复合物，所述RE2Ir2O7的晶型为烧绿石型；所述RE2Ir2O7中的RE为镧系稀土元素。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述IrO2和RE2Ir2O7的摩尔比为(0.1
‑
2)：1。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述镧系稀土元素包括Y、La、Nd、Sm、Gd、Dy和Er中的至少一种。4.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂的平均粒径为纳米级；或所述催化剂的平均粒径为100
‑
500nm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂还包括IrO
x
，其中x的取值为3
‑
4，所述IrO
x
和所述晶态复合物中的IrO2耦合，以形成晶态和非晶态的氧化物异质结。6.一种催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括：获取合金带，所述合金带含有RE元素、Ir元素和分散金属元素，所述Ir元素和RE元素的摩尔比大于1，所述RE为镧系稀土元素；对所述合金带进行分散金属元素的去除，后于含氧气氛中进行煅烧，以形成IrO2和RE2Ir2O7的晶态复合物，所述RE2Ir2O7的晶型为烧绿石型，得到催化剂。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱银安，张美卓，王琛，陈胜，管强强，郭豪，吴丹，朱威，
申请(专利权)人：江苏擎动新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：