催化剂、催化剂的制备方法及其应用技术

本申请公开一种催化剂、催化剂的制备方法及其应用，所述催化剂包括载体、第一层和第二层，第一层包覆载体，第二层包覆第一层，第一层的材料包含第一金属氧化物，第二层的材料包含第二金属氧化物，第一金属氧化物中的金属元素以及第二金属氧化物中的金属元素彼此独立地选自铂族金属元素中的一种或多种，第一金属氧化物的导电性不低于第二金属氧化物的导电性，第二金属氧化物的稳定性高于第一金属氧化物的稳定性，载体不包含贵金属元素，使得催化剂在低贵金属载量的前提下，具有良好的导电性、稳定性和催化活性，有效降低贵金属用量的同时，提升了贵金属的利用率，能够作为膜电极催化剂应用于电解水装置、再生式燃料电池和传感器中。器中。器中。

【技术实现步骤摘要】
催化剂、催化剂的制备方法及其应用


[0001]本申请涉及电极催化剂
，具体涉及一种催化剂、催化剂的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜电解水具有流程简单、电流密度高、电解槽体积小、便于快速变载等优点，并且与风电和光伏均具有良好的匹配性，从而在电解水和燃料电池领域具有广泛的应用前景。在质子交换膜电解水
中，阳极析氧反应缓慢的动力学过程导致了较高的过电位，且其较为苛刻的实际应用体系(强酸性和强氧化性环境)，使得到目前为止只有铱基催化剂能够在此环境下保持较好的稳定性和活性。此外，在燃料电池
中，为了保持燃料电池的性能和耐久性，同样会采用大量的铱基催化剂作为电极催化剂。
[0003]然而，铱是地球上最稀有的元素之一，在地壳岩石中的平均质量分数约为0.001ppm，全球年产量仅7～8吨。对于电解效率在70％
LHV
的电解槽，其对应的槽压是1.79V，目前商用的质子交换膜电解槽产生的电流密度约为1.5A/cm2，阳极催化层载量约为2mg
Ir
/cm2，从而会产生约0.75g
Ir
/kW的铱比功率密度。按照目前的技术水平，每年仅新安装约10GW的质子交换膜电解槽就需要每年约7.5吨的铱，这基本上消耗了每年全世界生产的铱。因此，开发低铱含量的催化剂，降低阳极催化层中的铱贵金属载量至关重要。
[0004]目前，商业析氧催化剂通常用高负载的结晶性良好的氧化铱(c
‑
IrO2)来提供优异的导电性，它们目前仍受到高Ir堆积密度的影响，在电堆上阳极催化层通常使用高载量的铱基催化剂(1mg/cm2～3mg/cm2)，无法实现高电流密度下低铱载量质子交换膜电解槽的运行。为了降低铱载量，同时提高贵金属的利用率，达到降低质子交换膜电解水制氢成本的目的，通常质子交换膜电解槽阳极使用的是负载型析氧催化剂。但常用的耐腐蚀惰性载体由于其本身的电子导通能力较差，需要牺牲部分贵金属催化剂形成导电网络从而提高电导率，因此，在实际工况下会采用高载量(例如高于50wt％)的贵金属(例如Ir、Ru)等负载到载体上，以保证良好的导电性、高的活性和长时间的稳定性。因此，如何提供一种在工况条件下保持良好稳定性的低贵金属载量的催化剂对质子交换膜电解水制氢技术以及燃料电池的应用与发展具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种催化剂、催化剂的制备方法及其应用，以降低催化剂中贵金属载量。
[0006]本申请的技术方案如下：
[0007]第一方面，本申请实施例提供了一种催化剂，所述催化剂包括载体、第一层和第二层，所述第一层包覆所述载体，所述第二层包覆所述第一层；
[0008]其中，所述第一层的材料包含第一金属氧化物，所述第二层的材料包含第二金属氧化物；所述第一金属氧化物中的金属元素以及所述第二金属氧化物中的金属元素彼此独
立地选自铂、钯、铑、铱、锇以及钌中的一种或多种，所述第一金属氧化物的导电性不低于所述第二金属氧化物的导电性，所述第二金属氧化物的稳定性高于所述第一金属氧化物的稳定性，所述载体不包含贵金属元素。
[0009]可选地，所述载体的材料选自氧化物和/或氮化物，所述氧化物包含钛、铌、锡、硅、锆、钽以及铈中的一种元素或多种元素，和/或所述氮化物包含钛、铌、锡、硅、锆、钽以及铈中的一种元素或多种元素。
[0010]可选地，所述第一金属氧化物选自氧化钌、氧化钯、氧化铂以及氧化铑中的一种或多种；和/或
[0011]所述第二金属氧化物选自氧化铱。
[0012]可选地，按照质量百分比计算，所述催化剂包含：72％～75％的所述载体，10％～13％的所述第一金属氧化物，以及14％～15％的所述第二金属氧化物；和/或
[0013]所述第二金属氧化物中的金属元素对所述第一金属氧化物中的金属元素的摩尔比为1：(1.3～1.7)。
[0014]第二方面，本申请提供了一种催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0015]提供包含载体和第一金属盐前驱体的分散液，将所述分散液与碱金属盐的饱和水溶液混合以析出所述碱金属盐的晶体，获得第一混合物；
[0016]对所述第一混合物进行第一干燥处理，获得包含所述载体、所述第一金属盐前驱体和所述碱金属盐的第二混合物；
[0017]将所述第二混合物进行第一煅烧处理，获得第三混合物，所述第三混合物包含所述载体以及负载于所述载体的表面的第一金属氧化物；以及
[0018]提供固态的第二金属盐前驱体，将所述第二金属盐前驱体与所述第三混合物混合进行第二煅烧处理，以使所述第一金属氧化物的表面负载有第二金属氧化物，获得催化剂；
[0019]其中，所述第一金属盐前驱体中的金属元素以及所述第二金属盐前驱体中的金属元素彼此独立地选自铂、钯、铑、铱、锇以及钌中的一种或多种，所述第一金属氧化物的导电性不低于所述第二金属氧化物的导电性，所述第二金属氧化物的稳定性高于所述第一金属氧化物的稳定性，所述载体不包含贵金属元素。
[0020]可选地，所述第一金属盐前驱体中的金属元素选自钯、铑、铂以及钌中的一种或多种；和/或
[0021]所述第二金属盐前驱体中的金属元素为铱；和/或
[0022]所述载体的材料选自氧化物和/或氮化物，所述氧化物包含钛、铌、锡、硅、锆、钽以及铈中的一种元素或多种元素，和/或所述氮化物包含钛、铌、锡、硅、锆、钽以及铈中的一种元素或多种元素；和/或
[0023]所述提供包含载体和第一金属盐前驱体的分散液的步骤中，所述载体对所述第一金属盐前驱体的质量比为1：(0.17～0.19)；和/或
[0024]所述分散液的溶剂为极性溶剂。
[0025]可选地，所述将所述分散液与碱金属盐的饱和溶液混合的步骤中，所述碱金属盐包含碱金属硝酸盐；和/或，所述分散液中所述第一金属盐前驱体的金属元素对所述碱金属盐的碱金属元素的摩尔比为1：(40～80)。
[0026]可选地，所述第一干燥处理在搅拌的条件下进行，和/或所述第一干燥处理包括加
热处理；和/或
[0027]所述第一煅烧处理在搅拌的条件下进行，和/或所述第一煅烧处理的温度为350℃～400℃，和/或所述第一煅烧处理的时间为0.5h～1h。
[0028]可选地，在所述将所述第二金属盐前驱体与所述第三混合物混合以进行第二煅烧处理的步骤中，
[0029]所述将所述第二金属盐前驱体与所述第三混合物混合包括：向处于液态熔融状态的所述第三混合物中加入所述第二金属盐前驱体，混合；和/或
[0030]所述第二金属盐前驱体为颗粒状或粉末状，和/或所述第二金属盐前驱体不含水；和/或
[0031]所述第三混合物的质量对所述第二金属盐前驱体的质量比为1：(1.02～1.04)；和/或
[0032]所述第二煅烧处理在搅拌的条件下进行；和/或
[0033]所述第二煅烧处理的温度为400℃～450℃；和/或
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化剂，其特征在于，所述催化剂包括载体、第一层和第二层，所述第一层包覆所述载体，所述第二层包覆所述第一层；其中，所述第一层的材料包含第一金属氧化物，所述第二层的材料包含第二金属氧化物；所述第一金属氧化物中的金属元素以及所述第二金属氧化物中的金属元素彼此独立地选自铂、钯、铑、铱、锇以及钌中的一种或多种，所述第一金属氧化物的导电性不低于所述第二金属氧化物的导电性，所述第二金属氧化物的稳定性高于所述第一金属氧化物的稳定性，所述载体不包含贵金属元素。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述载体的材料选自氧化物和/或氮化物，所述氧化物包含钛、铌、锡、硅、锆、钽以及铈中的一种元素或多种元素，和/或所述氮化物包含钛、铌、锡、硅、锆、钽以及铈中的一种元素或多种元素。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述第一金属氧化物选自氧化钌、氧化钯、氧化铂以及氧化铑中的一种或多种；和/或所述第二金属氧化物选自氧化铱。4.根据权利要求1至3任一项中所述的催化剂，其特征在于，按照质量百分比计算，所述催化剂包含：72％～75％的所述载体，10％～13％的所述第一金属氧化物，以及14％～15％的所述第二金属氧化物；和/或所述第二金属氧化物中的金属元素对所述第一金属氧化物中的金属元素的摩尔比为1：(1.3～1.7)。5.一种催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供包含载体和第一金属盐前驱体的分散液，将所述分散液与碱金属盐的饱和水溶液混合以析出所述碱金属盐的晶体，获得第一混合物；对所述第一混合物进行第一干燥处理，获得包含所述载体、所述第一金属盐前驱体和所述碱金属盐的第二混合物；将所述第二混合物进行第一煅烧处理，获得第三混合物，所述第三混合物包含所述载体以及负载于所述载体的表面的第一金属氧化物；以及提供固态的第二金属盐前驱体，将所述第二金属盐前驱体与所述第三混合物混合进行第二煅烧处理，以使所述第一金属氧化物的表面负载有第二金属氧化物，获得催化剂；其中，所述第一金属盐前驱体中的金属元素以及所述第二金属盐前驱体中的金属元素彼此独立地选自铂、钯、铑、铱、锇以及钌中的一种或多种，所述第一金属氧化物的导电性不低于所述第二金属氧化物的导电性，所述第二金属氧化物的稳定性高于所述第一金属氧化物的稳定性，所述载体不包含贵金属元素。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一金属盐前驱体中的金属元素选自钯、铑、铂以及钌中的一种或多种；和/或所述第二金属盐前驱体中的金属元素为铱；和/或所述载体的材料选自氧化物和/或氮化物，所述氧化物包含钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶华冰，杨洋，胡天，劳科杰，李水荣，方晓亮，郑南峰，
申请(专利权)人：嘉庚创新实验室，
类型：发明
国别省市：