一种复合多维纳米催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电解水制氢催化剂技术领域，公开了一种复合多维纳米催化剂及其制备方法和应用。该复合多维纳米催化剂包括IrO

【技术实现步骤摘要】
一种复合多维纳米催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电解水制氢催化剂
，特别涉及一种复合多维纳米催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]可再生能源耦合电解水制氢是制取绿色氢能源的主要方法。其中质子交换膜(PEM)电解水制氢技术，由于使用质子交换膜作为电解质，对比碱水电解制氢，可以缩短阴阳极的距离，进而降低工作时电解槽的欧姆极化。同时，质子交换膜具有良好选择透过性，能够减少氢气和氧气的互串。所以，PEM电解水制氢技术，具有更高的电流密度，更宽的负载范围和更快的动态响应速度(小于5s)，安全性高，原料无腐蚀性等优点，能更好地适配可再生能源，充分发挥电解水制氢与可再生能源的技术优势。
[0003]目前，PEM电解水技术距离满足绿氢制取的需求仍有较大差距。其技术难点如下：1.降低贵金属铱的高负载量：PEM电解水制氢在工作时具有低pH值，高电位及阳极氧浓度高。而催化层贵金属铱是抗腐蚀性最强的金属，在PEM电解水制氢阳极OER(析氧反应)中具有低过电势(0.32V
‑
0.34V)，被认为是PEM电解水制氢的最佳催化剂。但铱在地球上的丰度较低，而膜电极组件上往往需要使用高负载量的铱作为催化剂。数据显示，制造1GW PEM电解槽大约需要0.6吨铱。2.构筑高效催化剂三相界面：OER电化学反应过程发生在由固相催化剂、纯水、氢气/氧气组成的三相反应界面处，在三相界面上包括了H2O分子、中间基团及气体产物在界面处的传质过程；在催化剂表面的电荷转移过程、在电解质中离子、电子的传导过程等等。需对三相界面的组分、结构、电化学过程、反应动力学进行改进，提高传质效率和电导率，从而提高PEM电解水的反应效率。但现有技术OER活性依然较低。
[0004]因此，亟需提供一种新的催化剂，催化效率高，可用于提高OER活性。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种复合多维纳米催化剂及其制备方法和应用，所述复合多维纳米催化剂催化效率高，可用于提高OER活性。
[0006]本专利技术的第一方面提供一种复合多维纳米催化剂。
[0007]具体的，一种复合多维纳米催化剂，包括IrO
x
和负载所述IrO
x
的载体；
[0008]所述IrO
x
具有核壳结构，其中x大于0；
[0009]所述载体为具有纳米管结构的聚苯胺导电聚合物。
[0010]优选的，所述聚苯胺导电聚合物为半氧化态聚苯胺导电聚合物。
[0011]优选的，所述IrO
x
是以氧化铱为壳，铱金属为核。
[0012]所述复合多维纳米催化剂是一种OER催化剂，具有以下优势：
[0013]1.所述复合多维纳米催化剂在制备过程中，可以通过控制硫酸苯胺溶液的浓度，控制聚苯胺导电聚合物纳米管的管径。
[0014]2.半氧化态聚苯胺具有高的PEM导电性，这可以加速电子/离子的传导过程，但其受温度影响较大，在高温下电导率下降。所述复合多维纳米催化剂使用湿化学方式和电化学氧化方式在纳米管上制备催化活性成分IrO
x
，避免了温度对半氧化态聚苯胺纳米管电导率的影响。
[0015]3.半氧化态聚苯胺导电聚合物具有耐酸腐蚀的优点，与电解水制氢的低pH环境适配。
[0016]4.纳米管结构的聚苯胺导电聚合物载体具有三维可利用的表面，从而暴露更多活性位点，有效分散纳米贵金属催化剂颗粒，抑制粒子的聚集，使得所述复合多维纳米催化剂的质量比活性提高。该纳米管结构的聚苯胺导电聚合物载体的结构能够促进催化过程中的传质。
[0017]5.核壳结构的IrO
x
催化剂具有氧化铱外壳和铱金属内核，其协同作用可以提高OER活性。
[0018]本专利技术的第二方面提供一种复合多维纳米催化剂的制备方法。
[0019]具体的，一种复合多维纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0020](1)将聚苯乙烯(PS)纤维膜浸泡在硫酸溶液中进行磺化处理，取出经过磺化处理的聚苯乙烯纤维膜，置于硫酸苯胺溶液中，加入引发剂，反应，得到聚苯胺/聚苯乙烯纳米复合纤维，再将所述聚苯胺/聚苯乙烯纳米复合纤维浸泡在有机溶剂中，制得聚苯胺纳米管；
[0021](2)铱前驱体溶液配制：将表面活性剂、铱盐、溶剂混合，制得铱前驱体溶液；
[0022](3)将还原剂、所述聚苯胺纳米管、所述铱前驱体溶液混合，制得聚苯胺导电聚合物负载Ir纳米金属物质；
[0023](4)通过电化学氧化的方式，将步骤(3)制备的聚苯胺导电聚合物负载Ir纳米金属物质中的Ir纳米金属表面氧化成IrO
x
，即制得所述复合多维纳米催化剂。
[0024]PS具有易修饰特性，可以利用浓硫酸在其表面进行磺化，在PS表面引入HSO3‑
基团，使得苯胺分子易于附着在不同直径的PS纤维上，再加入引发剂(例如过硫酸铵)，在使得苯胺在低温下聚合，制得半氧化态聚苯胺导电聚合物。再利用聚苯胺对有机溶剂的低溶解度，去除PS纤维内核，进而可得到不同直径的纳米管状的聚苯胺导电聚合物。还原剂、聚苯胺纳米管、铱前驱体溶液混合，通过还原剂(如NaBH4)原位制备聚苯胺导电聚合物负载Ir纳米金属物质，再通过电化学氧化的方式，将负载的Ir纳米金属表面氧化成IrO
x
，即制得所述复合多维纳米催化剂。
[0025]优选的，步骤(1)中，所述聚苯乙烯(PS)纤维膜通过静电纺丝技术制得。通过调整PS纺丝液的浓度、加入表面活性剂，设置纺丝机内的推流速度、温度、湿度、纺丝电压以及纺丝针头离接收器的距离等参数控制PS纤维(纳米级)的形貌及直径，以得到均匀的PS纤维，从而得到聚苯乙烯(PS)纤维膜。
[0026]优选的，所述聚苯乙烯(PS)纤维膜的制备过程为：将PS颗粒溶解到DMF(N,N
‑
二甲基甲酰胺)中，PS体积浓度10
‑
30％，加热至PS完全溶解在DMF中，降到室温，加入TBAB(四丁基溴化铵)表面活性剂继续搅拌，得到纺丝前驱液；
[0027]将纺丝前驱液置入针筒，设置纺丝机推流速度、温度、湿度、纺丝针头与滚轴接收器的距离、正压电压、负压电压、滚轴速度，进行纺丝，获得PS纤维膜。此过程可重复多次以制备足够量的PS纤维膜。
[0028]优选的，步骤(1)中，所述硫酸溶液的质量分数大于90％，优选95
‑
98％。
[0029]优选的，步骤(1)中，所述磺化处理的温度为30
‑
50℃，优选40
‑
45℃。磺化处理的作用是加强苯胺阳离子的吸附。
[0030]优选的，步骤(1)中，所述硫酸苯胺溶液的浓度为100
‑
200mmol/L，优选160
‑
180mmol/L。
[0031]优选的，步骤(1)中，所述引发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合多维纳米催化剂，其特征在于，包括IrO
x
和负载所述IrO
x
的载体；所述IrO
x
具有核壳结构，其中x大于0；所述载体为具有纳米管结构的聚苯胺导电聚合物。2.根据权利要求1所述的复合多维纳米催化剂，其特征在于，所述聚苯胺导电聚合物为半氧化态聚苯胺导电聚合物。3.根据权利要求1所述的复合多维纳米催化剂，其特征在于，所述IrO
x
是以氧化铱为壳，铱金属为核。4.权利要求1
‑
3任一项所述的复合多维纳米催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将聚苯乙烯纤维膜浸泡在硫酸溶液中进行磺化处理，取出经过磺化处理的聚苯乙烯纤维膜，置于硫酸苯胺溶液中，加入引发剂，反应，得到聚苯胺/聚苯乙烯纳米复合纤维，再将所述聚苯胺/聚苯乙烯纳米复合纤维浸泡在有机溶剂中，制得聚苯胺纳米管；(2)铱前驱体溶液配制：将表面活性剂、铱盐、溶剂混合，制得铱前驱体溶液；(3)将还原剂、所述聚苯胺纳米管、所述铱前驱体溶液混合，制得聚苯胺导电聚合物负载Ir纳米金属物质；(4)通过电化学氧化的方式，将步骤(3)制备的聚苯胺导电聚合物负载Ir纳米金属物质中的Ir纳米金属表面氧化成IrO
x
，即制得所述复合多维纳米催化剂。5.根据权利要求4所述的的制备方法，其特征在于，所述聚苯乙烯纤维膜的制备过程为：将PS颗粒溶解到N,N
‑
二甲基甲酰胺中，聚苯乙烯体积浓度10
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄思源，李鹏，张清杰，邓志，王彪，陈登，何荣望，袁誉鹏，
申请(专利权)人：佛山仙湖实验室，
类型：发明
国别省市：