一种质子交换膜水电解阳极催化剂、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种质子交换膜水电解阳极催化剂、其制备方法及应用。所述阳极催化剂包括载体和负载在所述载体上的IrOx(1＜x≤2)和钝化层，所述载体包括金属氮化物、金属碳化物、金属单质和金属亚氧化物，所述钝化层为载体中的金属形成的氧化物。本发明专利技术通过对负载有单质铱的载体进行热处理，使得载体表面构筑一层致密的氧化物作为钝化层，可以有效抑制载体的不可控深度氧化，进而提升催化剂的整体运行稳定性。同时，负载在载体表面的单质铱被氧化为具有优异活性的IrOx相，保证了负载型低Ir催化剂具有类IrO2性能。所述阳极催化剂降低了贵金属Ir用量，同时具有优异的催化活性和稳定性。同时具有优异的催化活性和稳定性。同时具有优异的催化活性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜水电解阳极催化剂、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及催化剂制备
，具体涉及一种质子交换膜水电解阳极催化剂、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜电解水(PEMWE)技术是由可再生能源制备绿氢的关键技术之一，其阳极侧强氧化性强酸性环境对氧析出反应(OER)催化剂提出了极高的要求。目前，IrO2已被发现可以用于高效稳定地催化酸性OER，然而，贵金属Ir资源的稀缺性及高昂的价格严重限制了PEMWE技术的规模应用。因此，发展具有类IrO2优异性能的低Ir含量催化剂势在必行。
[0003]在催化剂设计方面，研发负载型Ir基催化剂是降低膜电极中Ir用量的有效策略，其中载体主要起到分散活性物质Ir的作用。目前，大量的研究集中于筛选在PEMWE阳极侧环境下能够保持稳定的且具有高电子电导率的载体。例如Ti、TiN等具有一定电导率的物质都被作为载体应用，然而，这些载体在强氧化性条件下易于发生不可控的深度氧化，进而转变为导电性极差的氧化物，导致催化剂不能稳定运行。因而如何稳定这些具有较高电导率的载体成为一项挑战性的课题。
[0004]另外，为了在载体表面获得具有较小尺寸的Ir纳米催化剂，多元醇还原法或氢气还原法成为目前最佳选项之一，但由此得到的负载型催化剂表面Ir主要为单质相。相较于IrO2，单质相Ir更易于在强氧化性强酸性环境下溶出，因而导致催化剂稳定性下降。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种质子交换膜水电解阳极催化剂、其制备方法及应用，所述阳极催化剂具有优异的催化活性和稳定性。
[0006]为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种质子交换膜水电解阳极催化剂，包括载体和负载在所述载体上的IrOx和钝化层；
[0008]所述载体包括金属氮化物、金属碳化物、金属单质和金属亚氧化物；
[0009]所述钝化层为载体中的金属形成的氧化物；
[0010]其中，1＜x≤2。
[0011]优选地，所述金属氮化物选自TiN和/或NbN。
[0012]优选地，所述金属碳化物选自TiC和/或NbC。
[0013]优选地，所述金属单质选自Ti和/或Nb。
[0014]优选地，所述金属亚氧化物选自Ti4O7和/或NbO2。
[0015]优选地，所述钝化层包括TiO2和/或Nb2O5。
[0016]优选地，所述IrOx与载体的质量比为(0.1～4):1。
[0017]第二方面，本专利技术提供一种上述质子交换膜水电解阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0018]将负载有单质铱的负载型催化剂在100～900℃下进行热处理，得到阳极催化剂。
[0019]优选地，所述热处理在空气气氛中进行。
[0020]优选地，所述热处理的时间为0.5～24h。
[0021]优选地，所述热处理的升温速率为0.2～10℃/min。
[0022]优选地，所述负载型催化剂由多元醇还原法或氢气还原法制备得到。
[0023]第三方面，本专利技术提供一种质子交换膜水电解用阳极催化剂浆料包括上述技术方案中涉及的阳极催化剂、分散剂、粘结剂和溶剂。
[0024]第四方面，本专利技术提供一种用于质子交换膜水电解的膜电极，包括阳极催化层、阴极催化层以及位于阳极催化层与阴极催化层之间的质子交换膜；
[0025]所述阳极催化层由上述阳极催化剂浆料通过成膜处理后制备得到。
[0026]第五方面，本专利技术提供一种子交换膜水电解制氢电解池，包括上述技术方案中涉及的阳极催化剂、阳极催化剂浆料或膜电极。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0028]本专利技术通过对负载有单质铱的载体进行热处理，使得载体表面构筑一层致密的氧化物作为钝化层，可以有效抑制载体的不可控深度氧化，进而提升催化剂的整体运行稳定性。同时，负载在载体表面的单质铱被氧化为具有优异活性的IrOx相，保证了负载型低Ir催化剂具有类IrO2性能。经研究，使用该质子交换膜水电解阳极催化剂，贵金属Ir用量最低可以降至0.15mg
Ir cm
‑2，同时保持优异的活性及稳定性，具有成本低、催化活性高、稳定性好的优势。另外，所述热处理工艺简单、环境友好，适合工业化大规模生产，可以达到几百克，为大批量制备低成本、高活性、长寿命的质子交换膜水电解制氢阳极催化剂奠定基础。
附图说明
[0029]图1为分别采用实施例1得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/Ti组装的质子交换膜水电解制氢电解池的极化测试曲线对比图；
[0030]图2为分别采用实施例1得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/Ti组装的质子交换膜水电解制氢电解池的稳定性测试曲线对比图；
[0031]图3为分别采用实施例2得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/TiN组装的质子交换膜水电解制氢电解池的极化测试曲线对比图；
[0032]图4为分别采用实施例2得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/TiN组装的质子交换膜水电解制氢电解池的稳定性测试曲线对比图。
[0033]图5为分别采用实施例3得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/Ti
‑
H2组装的质子交换膜水电解制氢电解池的极化测试曲线对比图；
[0034]图6为分别采用实施例3得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/Ti
‑
H2组装的质子交换膜水电解制氢电解池的稳定性测试曲线对比图；
[0035]图7为分别采用实施例4得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/NbN组装的质子交换膜水电解制氢电解池的极化测试曲线对比图；
[0036]图8为分别采用实施例4得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/NbN组装的质子交换膜水电解制氢电解池的稳定性测试曲线对比图；
[0037]图9为分别采用实施例5得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/TiC组装的质子交换膜
水电解制氢电解池的极化测试曲线对比图；
[0038]图10为分别采用实施例5得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/TiC组装的质子交换膜水电解制氢电解池的稳定性测试曲线对比图；
[0039]图11为分别采用实施例6得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/NbO2组装的质子交换膜水电解制氢电解池的极化测试曲线对比图；
[0040]图12为分别采用实施例6得到的阳极催化剂和未氧化的Ir/NbO2组装的质子交换膜水电解制氢电解池的稳定性测试曲线对比图。
具体实施方式
[0041]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。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。
[0042]针对现有技术中用于质子交换膜电解水制氢的负载型催化剂存在载体在高氧化电位下易于发生不可控的深度氧化，转变为导电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜水电解阳极催化剂，其特征在于，包括载体和负载在所述载体上的IrOx和钝化层；所述载体包括金属氮化物、金属碳化物、金属单质和金属亚氧化物；所述钝化层为载体中的金属形成的氧化物；其中，1＜x≤2。2.根据权利要求1所述的质子交换膜水电解阳极催化剂，其特征在于，所述金属氮化物选自TiN和/或NbN；所述金属碳化物选自TiC和/或NbC；所述金属单质选自Ti和/或Nb；所述金属亚氧化物选自Ti4O7和/或NbO2。3.根据权利要求2所述的质子交换膜水电解阳极催化剂，其特征在于，所述钝化层包括TiO2和/或Nb2O5。4.根据权利要求1所述的质子交换膜水电解阳极催化剂，其特征在于，所述IrOx与载体的质量比为(0.1～4):1。5.根据权利要求1～4中任一项所述的质子交换膜水电解阳极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将负载有单质铱的负载型催化剂在100～900℃下进行热处理，得到阳极催化剂。6.根据权利要求5所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢巍，施兆平，刘长鹏，梁亮，李晨阳，金钊，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：