一种二氧化铈负载铱的催化剂及其制备方法和应用技术

本公开涉及一种二氧化铈负载铱的催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂包括二氧化铈载体和负载在所述二氧化铈载体上的单质铱；所述催化剂的比表面积为

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化铈负载铱的催化剂及其制备方法和应用


[0001]本公开涉及氢能及电催化
，具体地，涉及一种二氧化铈负载铱的催化剂及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]可再生能源制氢对于解决全球面临的能源危机和环境问题至关重要，其中，质子交换膜
(PEM)
水电解制氢技术具有效率高
、
体积小
、
启停快
、
工作范围广等特点，逐步被国内外大力推广
。
但
PEM
的成本较目前普及的碱水电解更高，限制了其进一步的大规模应用，可通过催化剂的优化设计以降低电堆的成本及提高催化剂的效率
。
[0003]目前，阴极常用的催化剂为铂碳催化剂，在较低的贵金属载量下即可达到良好的效果
。
而阳极的动力学过程相对缓慢，需要很高的过电位才能驱动电化学反应，成为制约电解水过电位的主要因素，需使用高载量的铱或钌等贵金属催化剂
。
因此，减小析氧反应的过电位及降低阳极贵金属的用量是实现
PEM
电解水设备大规模商业化的重要突破口
。

技术实现思路

[0004]本公开的目的是提供一种二氧化铈负载铱的催化剂及其制备方法和应用，该催化剂中的二氧化铈载体比表面积大且富含表面氧空位，在其上负载单质铱制备出的催化剂用于质子交换膜水电解反应时，具有较好的催化活性和循环稳定性
。
[0005]为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种二氧化铈负载铱的催化剂，所述催化剂包括二氧化铈载体和负载在所述二氧化铈载体上的单质铱；所述催化剂的比表面积为
30
‑
50m2/g。
[0006]可选地，在所述催化剂中，铱元素的含量为
50
‑
70
重量％；
[0007]所述单质铱的平均粒径为2‑
5nm
；
[0008]所述催化剂的平均粒径为
10
‑
20nm。
[0009]本公开第二方面提供一种用于水电解阳极催化剂的二氧化铈载体，所述二氧化铈载体的比表面积为
70
‑
90m2/g
，
O
L
/(O
C
+O
L
+O
OH
)
的值为
0.4
‑
0.6
；
[0010]其中，
O
L
表示所述二氧化铈载体的
XPS
谱图中的晶格氧的衍射峰面积，
O
C
表示所述二氧化铈载体的
XPS
谱图中的化学吸附氧的衍射峰面积，
O
OH
表示所述二氧化铈载体的
XPS
谱图中的表面
OH
‑
的衍射峰面积
。
[0011]可选地，所述二氧化铈载体的平均粒径为
10
‑
20nm。
[0012]本公开第三方面提供制备二氧化铈载体的方法，该方法包括以下步骤：
[0013]S1
将络合剂
、
铈源与水混合，调节所得原料混合物的
pH
值为6‑
10
，并进行水解反应，得到第一物料；
[0014]S2
对所述第一物料进行第一固液分离，得到前驱体；
[0015]S3
将所述前驱体在含氧气氛下焙烧；
[0016]其中，所述含氧气氛中的氧气含量为
20
‑
25
体积％；所述络合剂包括有机多元酸
。
[0017]可选地，所述铈源包括铈盐中的一种或几种，优选包括硫酸铈
、
硝酸铈
、
氯化铈
、
乙酸铈和碳酸铈中的一种或几种；
[0018]所述络合剂包括乙二胺四乙酸
、
乙二酸
、
马来酸和柠檬酸中的一种或几种
。
[0019]可选地，步骤
S1
中，所述水解反应的条件包括：时间为3‑
12h
，温度为
75
‑
95℃
；
[0020]步骤
S3
中，所述焙烧的条件包括：时间为2‑
6h
，温度为
450
‑
550℃
，升温速率为2‑
5℃/min。
[0021]可选地，所述络合剂与所述铈源的摩尔比为1：
(0.5
‑
1.5)
；
[0022]步骤
S1
所述的原料混合物中，铈元素的浓度为
0.1
‑
1.5mol/L。
[0023]本公开第四方面提供采用本公开第三方面所述的方法制备的二氧化铈载体
。
[0024]本公开第五方面提供制备二氧化铈负载铱的催化剂的方法，该方法包括：将本公开第二方面或第四方面所述的二氧化铈载体
、
表面活性剂和铱源与溶剂混合，进行反应；
[0025]所述表面活性剂包括碳原子数为
12
‑
19
的有机铵盐
。
[0026]可选地，所述铱源选自氯铱酸或氯铱酸的可溶性盐；
[0027]所述表面活性剂包括十六烷基三甲基氯化铵
、
十四烷基三甲基溴化铵和十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种；
[0028]所述溶剂包括丙三醇
、
苯甲醇
、N,N
‑
二甲基甲酰胺和
N,N
‑
二甲基乙酰胺中的一种或几种
。
[0029]可选地，所述反应的条件包括：温度为
150
‑
170℃
，时间为3‑
12h。
[0030]可选地，所述二氧化铈载体
、
所述表面活性剂和以氯铱酸计的所述铱源的摩尔比为1：
(10
‑
16)
：
(1
‑
2)
；
[0031]在所述混合得到的物料中，铱元素的浓度为
0.001
‑
0.01mol/L。
[0032]本公开第六方面提供本公开第一方面所述的二氧化铈负载铱的催化剂或者本公开第二方面或第四方面所述的二氧化铈载体在水电解阳极催化剂中的应用
。
[0033]本公开第七方面提供一种质子交换膜水电解装置，包括质子交换膜
、
阴极催化剂层
、
阳极催化剂层
、
阴极扩散层和阳极扩散层，所述阳极催化剂层包含本公开第一方面所述的二氧化铈负载铱的催化剂
。
[0034]本公开第八方面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种二氧化铈负载铱的催化剂，其特征在于，所述催化剂包括二氧化铈载体和负载在所述二氧化铈载体上的单质铱；所述催化剂的比表面积为
30
‑
50m2/g。2.
根据权利要求1所述的催化剂，其中，在所述催化剂中，铱元素的含量为
50
‑
70
重量％；所述单质铱的平均粒径为2‑
5nm
；所述催化剂的平均粒径为
10
‑
20nm。3.
一种用于水电解阳极催化剂的二氧化铈载体，其特征在于，所述二氧化铈载体的比表面积为
70
‑
90m2/g
，
O
L
/(O
C
+O
L
+O
OH
)
的值为
0.4
‑
0.6
；其中，
O
L
表示所述二氧化铈载体的
XPS
谱图中的晶格氧的衍射峰面积，
O
C
表示所述二氧化铈载体的
XPS
谱图中的化学吸附氧的衍射峰面积，
O
OH
表示所述二氧化铈载体的
XPS
谱图中的表面
OH
‑
的衍射峰面积
。4.
根据权利要求3所述的二氧化铈载体，其中，所述二氧化铈载体的平均粒径为
10
‑
20nm。5.
制备二氧化铈载体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1
将络合剂
、
铈源与水混合，调节所得原料混合物的
pH
值为6‑
10
，并进行水解反应，得到第一物料；
S2
对所述第一物料进行第一固液分离，得到前驱体；
S3
将所述前驱体在含氧气氛下焙烧；其中，所述含氧气氛中的氧气含量为
20
‑
25
体积％；所述络合剂包括有机多元酸
。6.
根据权利要求5所述的方法，其中，所述铈源包括铈盐中的一种或几种，优选包括硫酸铈
、
硝酸铈
、
氯化铈
、
乙酸铈和碳酸铈中的一种或几种；所述络合剂包括乙二胺四乙酸
、
乙二酸
、
马来酸和柠檬酸中的一种或几种
。7.
根据权利要求5所述的方法，其中，步骤
S1
中，所述水解反应的条件包括：时间为3‑
12h
，温度为
75
‑
95℃
；步骤
S3

【专利技术属性】
技术研发人员：张聪，米万良，顾方伟，郑路凡，赵熙康，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，
类型：发明
国别省市：