具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂及其制备工艺，其中制备工艺包括如下步骤：S1.将金属氧化物烘干；S2.将可溶性金属盐的前驱体溶液、S1中的金属氧化物和还原剂水溶液混合，利用溶剂热还原法，将金属纳米颗粒沉积在金属氧化物表面；充分反应后，过滤取沉淀物并干燥；S3.将S2的沉淀物置于保护气氛的电阻炉中热处理即得，热处理的温度为400

【技术实现步骤摘要】
具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂及其制备工艺


[0001]本专利技术涉及电催化剂领域，具体涉及一种具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂及其制备工艺。

技术介绍

[0002]质子交换膜电解水由于更高的电流密度、能量效率、更高的氢气纯度，被认为是未来最有前途的电解水系统。不过质子交换膜使用的酸性腐蚀环境、析氧反应所需的氧化环境以及析氧反应涉及的四电子过程对析氧电催化剂的开发提出了严峻的考验。开发高效稳定的价格友好的析氧电催化剂是当前质子交换膜电解水技术大规模利用的瓶颈之一。在质子交换膜适用的强酸性环境中，贵金属铱氧化物被认为是质子交换膜电解水技术商用的首选催化剂，增强铱元素的利用率和改善电催化剂的界面传质是当前的重要课题。
[0003]提高整体催化活性的有效策略是增加活化位点及其本征活性。调节电催化剂表面原子组成、电子结构和微观结构有助于形成高活性催化位点并促进电催化反应中间体的转换进程。实现这一目标的有效策略之一是制备具有非均相界面的复合催化剂，如掺杂有Cu、Ni、Co、Sn等的Ir合金材料；再比如将Ir负载在特定的金属氧化物表面，如IrO2、RuO2、Fe2O3和NiCo2O4等。非均相界面间的协同催化作用不仅有助于H2O在Ir表面的吸附过程，还降低了反应中间体的脱附能，有效提升了电催化活性和稳定性。另一种策略是重构富氧空位表面，晶格氧通过增加IrOx的非化学计量比而被激活并参与电催化析氧过程，例如在过渡金属氢氧化物、氧化物和钙钛矿型化合物中形成的丰富氧空位带来有效的电催化活性的提升。
[0004]需要说明的是，公开于该
技术介绍
的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，用于理解专利技术人产生专利技术构思的背景，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提出一种具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂及其制备工艺，该制备工艺制备的析氧电催化剂具有优异的电催化活性和耐久性。
[0006]所采用的技术方案为：
[0007]一种具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂的制备工艺，包括如下步骤：
[0008]S1.将金属氧化物烘干；
[0009]S2.将可溶性金属盐的前驱体溶液、S1中的金属氧化物和还原剂水溶液混合，利用溶剂热还原法，将金属纳米颗粒沉积在金属氧化物表面；充分反应后，过滤取沉淀物并干燥；
[0010]S3.将S2的沉淀物置于保护气氛的电阻炉中热处理即得，热处理的温度为400
‑
600℃，保护气氛为惰性气体，所述惰性气体为氮气、氦气或氩气。
[0011]进一步地，S1中，金属氧化物为RuO2、IrO2或MnO2。
[0012]进一步地，S2中，还原剂包括硼氢化钠、甲酸、甲醛、乙二醇中的一种或几种。
[0013]进一步地，S2中，还原剂水溶液的浓度为10
‑
100mmol/L。
[0014]进一步地，S2中，还原剂水溶液是逐滴加入混合。
[0015]进一步地，S3中，热处理的时间为1
‑
5h。
[0016]进一步地，S2中，金属氧化物为IrO2，可溶性金属盐的前驱体溶液为氯铱酸溶液、氯化钌溶液或氯铂酸溶液。
[0017]进一步地，S2中，可溶性金属盐的前驱体溶液、金属氧化物先混合，然后将pH调节至7
‑
8；接着，将混合物在60
‑
80℃下加热并搅拌5
‑
6小时，然后逐滴加入还原剂水溶液。
[0018]一种具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂，其是由上述技术方案所述的制备工艺制得的。
[0019]进一步地，所述析氧电催化剂为Ru
‑
RuO2、Ir
‑
IrO2或Mn
‑
MnO2。
[0020]与现有技术相比，本专利技术可以实现以下的效果：
[0021]本专利技术提出了一种具有非均相界面和丰富氧空位的新型析氧电催化剂的制备工艺，以可溶性金属盐的前驱体溶液为前驱体，通过还原剂水溶液热还原方式将贵金属纳米颗粒沉积在金属氧化物表面，并通过惰性气氛烧结，从而促进贵金属纳米颗粒与金属氧化物间的氧物种争夺，形成异质界面和制造丰富的氧缺陷空位，有效促进了析氧反应中间体的快速生成与分解，显著提高析氧电催化活性和耐久性。该方法工艺简单，效果显著，有望应用于析氧电催化剂的商业化生产。
[0022]也即，通过简单可控的制备工艺将金属纳米颗粒沉积在金属氧化物表面，后续的惰性气氛的热处理促进生成了金属颗粒与金属氧化物间紧密结合的丰富的非均相界面，同时形成了大量的富氧空位缺陷，大幅改善了电催化反应中间产物的吸附与脱附过程。
[0023]该制备工艺制备的析氧电催化剂具有优异的电催化活性和耐久性，工艺先进、成本可控，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以获得其他实施例的附图。
[0025]图1为实施例1的具有丰富非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂的制备工艺的实现效果示意图。
[0026]图2为实施例1提供的制备工艺处理的具有丰富非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂的TEM高分辨率照片。
[0027]图3为实施例1的制备工艺处理前后的XPS图谱。
[0028]图4为实施例1的制备工艺处理前后的各金属物种与对应氧化物的含量对比图。
[0029]图5为实施例1的制备工艺处理的具有丰富非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂与未处理氧化物的电化学活性对比图。
具体实施方式
[0030]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中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部分的实施例，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作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。
[0031]下面实施例所记载的M为mol/L；mM为mmol/L。
[0032]实施例1
[0033]一种具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂的制备工艺，包括如下步骤：
[0034]S1.首先是金属氧化物载体的准备。将金属氧化物烘干备用；本实施例将自制IrO2(或商用氧化铱)烘干备用。
[0035]S2.然后是金属氧化物表面上金属纳米颗粒的沉积。将可溶性金属盐的前驱体溶液、S1中的金属氧化物和硼氢化钠水溶液混合，利用溶剂热还原法，将金属纳米颗粒沉积在金属氧化物表面；充分反应后，过滤取沉淀物并干燥；本实施例中将90mg自制IrO2(或商用氧化铱)和7.8mL(10mM，过量50％)氯铱酸甲醇溶液混合，然本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：S1.将金属氧化物烘干；S2.将可溶性金属盐的前驱体溶液、S1中的金属氧化物和还原剂水溶液混合，利用溶剂热还原法，将金属纳米颗粒沉积在金属氧化物表面；充分反应后，过滤取沉淀物并干燥；S3.将S2的沉淀物置于保护气氛的电阻炉中热处理即得，热处理的温度为400
‑
600℃，保护气氛为惰性气体，所述惰性气体为氮气、氦气或氩气。2.根据权利要求1所述的具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂的制备工艺，其特征在于，S1中，金属氧化物为RuO2、IrO2或MnO2。3.根据权力要求1所述的具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂的制备工艺，其特征在于，S2中，还原剂包括硼氢化钠、甲酸、甲醛、乙二醇中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂的制备工艺，其特征在于，S2中，还原剂水溶液的浓度为10
‑
100mmol/L。5.根据权利要求1所述的具有非均相界面和富氧空位的析氧电催化剂的制备工艺，其特征在于，S2中，还原剂水溶液是逐滴加入混合。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘高阳，张俊，朱读全，吴贞星，蒋国强，
申请(专利权)人：益生瑞上海生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：