一种MnO2/RuO2异质析氧反应电催化剂及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种MnO2/RuO2异质析氧反应电催化剂及制备方法和应用，通过利用具有高结构稳定性的α

【技术实现步骤摘要】
一种MnO2/RuO2异质析氧反应电催化剂及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电催化领域，具体涉及一种复合氧化物析氧反应电催化剂。

技术介绍

[0002]近年来，为了应对能源危机和气候变化，世界各国加速推进能源转型，风电、光伏等可再生能源发电技术得到广泛发展。然而，风电、光伏等可再生能源在时间、空间上分布的不确定性使其难以被有效利用。将可再生能源发电系统与电解水制氢系统整合，利用不稳定的风电、光电驱动电解水系统制备氢气，再以氢气为能量载体进行输运和分配，可实现大规模、高效率可再生能源消纳，对于缓解能源危机和环境问题具有重要意义。
[0003]在电解水制氢方面，质子交换膜电解水制氢(PEMWE)具有广阔的应用前景。这主要是它具有包括良好的电
‑
氢转换效率、低气体交叉、快速的动态响应以及紧凑的电解槽设计等优点。但是，PEM 电解水制氢的能量转换效率和耐久性主要由阳极析氧反应 (OER)决定。该反应涉及缓慢的四电子转移动力学过程，主导着电解槽的施加电压，是电解槽效率的决定因素。另外，大部分析氧电催化剂在强酸条件下容易被氧化分解，导致活性位点消失，丧失催化活性。α
‑
MnO2被认为是酸性析氧反应电催化剂理想的载体材料。α
‑
MnO2由[MnO6]八面体双链组成，内部呈现（1
×
2）+（2
×
2）隧道结构，可以容纳多种阳离子，具有较高的结构稳定性，在另一方面，氧化钌（RuO2）是公认的高活性酸性析氧电催化剂，但由于在析氧过程存在过度氧化和刻蚀问题，稳定性不足，其应用受到了极大限制。为了推进PEM电解水制氢的应用与发展，开发新型高活性高稳定酸性析氧电催化剂极为迫切，但同时也面临巨大挑战。

技术实现思路

[0004]为解决目前析氧反应电催化剂难以同时满足高强度的使用寿命、高电位下的催化活性等问题，本专利技术提供了一种能够在高电位和强酸环境中稳定使用的电催化剂，本专利技术通过利用氧化锰载体与贵金属氧化物活性材料之间强健的异质界面作用，显著提升了MnO2/RuO2电催化剂的催化活性与稳定性。
[0005]基于本专利技术的目的，本专利技术首先提供一种长寿命负载型析氧反应电催化剂上述MnO2/RuO2析氧反应电催化剂的制备方法，包括如下步骤：（1）将α
‑
MnO2粉末置于去离子水中超声均匀，加入一定量RuCI3水溶液，进行搅拌、干燥，制得黑色粉末；（2）将黑色粉末置于马弗炉中高温煅烧下生成复合产物；（3）将复合产物放入刻蚀、过滤、干燥，最终得到产物MnO2/RuO2析氧反应电催化剂。
[0006]较佳的，α
‑
MnO2粉末粒径为400~500nm。
[0007]较佳的，步骤（1）中，搅拌时间为12小时以上。
[0008]较佳的，RuCI3水溶液中的溶质采用RuCI3·
3H2O，RuCI3·
3H2O与α
‑
MnO2粉末的质量比为2：1。
[0009]较佳的，高温煅烧温度为300℃，保温时间6小时。
[0010]较佳的，刻蚀采用盐酸、硝酸或硫酸，酸浓度为5 mol
·
L
‑1，刻蚀时间为24小时。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是： 1、氧化锰纳米棒电化学稳定性高，能够在高电位和酸性环境的共同作用下保持稳定。本专利技术中选择的氧化锰载体有助于增强复合催化剂整体的结构稳定性和电化学稳定性。
[0012]2、氧化锰作为催化剂载体可以有效地分散贵金属氧化物活性组分，增加贵金属氧化物活性位点的暴露密度。
[0013]3、氧化锰载体与贵金属氧化物之间强健的异质界面，有利于提高其电化学稳定性。异质界面间的电荷转移可以有效增强活性位点数量，进一步提升析氧反应催化活性。
[0014]4、MnO2/RuO2析氧反应电催化剂具有高比表面积，有利于暴露更多活性位点。且制备方法简单易控，有助于降低经济成本。
附图说明
[0015]图1为MnO2/RuO2的TEM（a
‑
c）、HRTEM(d
‑
g)及对应的EDS mapping 图(h
‑
k)。
[0016]图2为MnO2/RuO2的XRD图。
[0017]图3为不同Ru含量MnO2/RuO2的LSV图。
[0018]图4为不同Ru含量MnO2/RuO2的Tafel图。
[0019]图5为MnO2/RuO2的稳定性测试图。
[0020]图6为不同煅烧温度MnO2/RuO2的LSV图。
[0021]图7为不同煅烧温度MnO2/RuO2的Tafel图。
具体实施方式
[0022]以下的实施例便于更好地理解本专利技术，但并不限定本专利技术。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为市售。
[0023]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0024]本专利技术所述负载型析氧反应电催化剂中，作为载体的氧化锰具有高结构稳定性，能够在高电位和强酸环境中保持长久的电化学稳定性。另一方面，氧化钌纳米颗粒均匀分散在氧化锰载体表面，有利于提高活性位点的暴露，从而显著提升单位质量贵金属的比活性。氧化锰载体和氧化钌纳米颗粒之间形成强健的异质界面，使得氧化钌纳米颗粒的晶格产生明显的压应力，阻止其活性中心的过度氧化。不仅显著增强活性位点与配位氧原子紧密结合，而且能够调控催化活性位点与氧中间体的吸附强度，可以有效提升MnO2/RuO2电催化剂的稳定性和活性。
[0025]上述制备方法简单，MnO2/RuO2析氧反应电催化剂具有高催化活性、优异的电化学稳定性。氧化锰载体与氧化钌纳米颗粒之间的异质界面可以有效增强电荷转移，增强贵金属的催化活性。本专利技术提供的MnO2/RuO2析氧反应电催化剂，能够极大程度上减缓高电位下活性位点的团聚和过度氧化等问题。具有比表面积的氧化锰载体可以显著增强氧化钌纳米
mL 的39 mmol/100 mL的RuCI3溶液和上述α
‑
MnO2溶液充分搅拌12小时，将溶液在6000 rpm下离心5 min，除去上层清液保留黑色沉淀物。将得到的黑色产物置于300℃马弗炉中煅烧6小时，生成复合产物。3)将2)得复合材料放置在5 mol
·
L
‑1的盐酸中搅拌刻蚀24小时、真空过滤、放置烘箱在80℃下过夜，待冷却至室温后得到MnO2/RuO2‑
0.75析氧反应电催化剂。对该对比例的样品进行析氧反应活性和Tafel测试，结果如图3、图4所示。对该照样品在10 mA
·
cm
‑2的工作电流密度所需的过电位为350 mV，Tafel斜率为111.4 mV
·
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MnO2/RuO2异质析氧反应电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将α
‑
MnO2粉末置于去离子水中超声均匀，加入一定量RuCI3水溶液，进行搅拌、干燥，制得黑色粉末；（2）将黑色粉末高温煅烧生成复合产物；（3）将复合产物放入刻蚀、过滤、干燥，得到产物MnO2/RuO2析氧反应电催化剂。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，α
‑
MnO2粉末粒径为400~500nm。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，搅拌时间为12小时以上。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，RuCI3水溶液中的溶质采用RuCI3·<...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜炜，杨梦影，刘贵高，郭虎，胡玉冰，郝嘎子，张光普，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：