【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源与催化材料相关，更具体地，涉及一种碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
1、随着能源短缺与环境污染等问题日趋严重，以电解水制氢为代表的能源开发利用技术为实现零排放的能源利用提供了重要解决方案。目前，电解水制氢技术主要分为碱性水电解器和质子交换膜水电解器两种。相比于碱性水电解器，质子交换膜水电解器具有工作电流密度大、制氢纯度高、能量损耗小等优点。而在质子交换膜水电解器阴极发生的析氢反应和阳极发生的析氧反应是影响质子交换膜水电解器整体效率的关键因素。目前在质子交换膜水电解器阴极和阳极使用的催化剂分别为商业铂碳和商业氧化铱催化剂，但是其仍然存在过高的反应过电位和在酸性介质中稳定性差等问题。因此，开发同时具备电催化析氢和析氧性能的双功能催化剂对电催化分解水技术的应用至关重要。
2、由于贵金属铱(ir)具备良好的电催化析氢和析氧性能，目前已经研究的双功能电催化剂大多是通过贵金属ir与过渡金属等(cu、fe、ni、co等)合金化来调控活性中心的电子/几何构型以达到提升其催化活性和降低成本的目的。但是，原子排列无序的irm合金结构形成能较低，在酸性的环境中极易发生金属溶解、腐蚀从而导致催化剂结构破坏，结构稳定性面临极大的挑战。相比于无序的合金相，金属间化合物具备规则的原子排布和独特的表面结构等特点，其具有更优的催化活性和稳定性。而发展新型晶体结构有望进一步提升催化性能。例如，相比于常规结构有序金属间相b2-irga(-0.399ev/atom)和l12-ir3v(-0.347ev/atom)
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂及其制备方法与应用，其从晶体结构的结构形成能出发得到了一种结构形成能较负的拉维斯相铱铈纳米晶作为催化材料，这极大地提高了催化剂在酸性工况条件下的稳定性，尤其是在高电流密度的工况条件下，其稳定性远超目前商业催化剂。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，所述催化剂包括载体碳及设置在载体碳上的活性物，所述活性物为拉维斯相铱铈纳米晶。
3、进一步地，所述活性物包括以下质量份数的组分：60～70份铱、30～40份铈；所述载体碳的质量百分比为80％～90％，所述活性物的质量百分比为10％～20％。
4、进一步地，所述拉维斯相铱铈纳米晶的粒径为10nm～30nm。
5、本专利技术还提供了一种碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，所述制备方法用于制备如上所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，其包括以下步骤：
6、(1)将铱盐、铈盐、碳载体分散在乙醇溶液中并混合均匀以得到分散液；
7、(2)将所述分散液进行搅拌加热以得到碳载前驱体盐；
8、(3)将所述碳载前驱体盐、氯化物盐、氢化钙研磨混合均匀后在保护性气氛中进行梯度升温和退火处理；
9、(4)将步骤(3)得到的反应物进行分步洗涤和离心处理以得到碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂。
10、进一步地，将铱盐、铈盐、碳载体按照预定质量比例分散在乙醇溶液中，经过超声处理后得到混合均匀的分散液；超声处理时间为0.5小时～1小时；磁力搅拌器的温度设置为80℃～100℃，搅拌速率为300转/分钟～400转/分钟。
11、进一步地，所述铈盐为乙酰丙酮铈、硝酸铈中的至少一种；所述碳载体为xc-72导电炭黑、科琴黑中的至少一种；所述铱盐、铈盐与碳载体的质量比为5：(10～30):(20～40)。
12、进一步地，所述氯化物盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾中的至少一种；所述碳载前驱体盐、氯化物盐与氢化钙的质量比为1：(40～50):(10～20)。
13、进一步地，所述保护性气氛为n2、ar、体积分数为1％～20％的h2/ar中的至少一种。
14、进一步地，所述梯度升温包括第一阶段及第二阶段，第一阶段升温速率为5℃/分钟～15℃/分钟，反应温度为250℃～300℃，反应时间为0.5小时～1小时；第二阶段升温速率为5℃/分钟～10℃/分钟，反应温度为600℃～800℃，反应时间为1小时～2小时。
15、本专利技术还提供了一种如上所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂在质子交换膜水电解器的阴极及阳极的应用。
16、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：
17、1.本专利技术从晶体结构的结构形成能出发得到了一种结构形成能较负的拉维斯相铱铈纳米晶作为催化材料，这极大地提高了催化剂在酸性工况条件下的稳定性，尤其是在高电流密度的工况条件下，其稳定性远超目前商业催化剂。同时利用铱铈二元组分之间的协同作用既可以在实现电催化析氢和析氧性能提高的同时，又可以降低成本，该催化剂具有很好的实际应用前景。
18、2.由于稀土金属具有较负的标准电极电势(<-0.7v vs.she)，合成纳米材料过程中使用的常规还原剂无法将稀土金属还原，目前常见的还原稀土金属的方法为钠蒸汽还原法和高温热还原法，但这两种方法都存在操作复杂且危险性大等问题。为此，本专利技术提出了一种熔盐还原法制备拉维斯相铱铈纳米晶的方法，该方法将氢化钙作为还原剂，在熔盐的协助下实现了稀土金属原子的简便还原。
19、3.本专利技术采用熔盐还原法制备拉维斯相铱铈纳米晶，该方法操作步骤简单，产物分散性良好；通过调控实验参数，例如还原剂的用量、退火温度、升降温速度、退火时间等可以获得具有不同尺寸的拉维斯相铱铈纳米晶。相较于该领域常见的有机合成方法，该合成方法的原材料成本更低更环保，易于批量生产。
20、4.本专利技术所制备的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂具有优异的电催化析氢和析氧性能；对于电催化析氢反应，相比于商业化铂碳催化剂，碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂在10ma/cm2的电流密度下的过电位降低了10mv；同时其具有优异的稳定性，在100ma/cm2的电流密度下恒电流充电200小时后过电位几乎未增加，而商业铂碳催化剂在100ma/cm2的电流密度下恒电流充电200小时后过电位增加近200mv。对于电催化析氧反应，相较于商业化氧化铱催化剂，碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂在10ma/cm2的电流密度下的过电位降低了46mv。本专利技术的催化剂具有极佳的催化活性和稳定性，对提升质子交换膜水电解器的性能具有十分重要的意义。
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1.一种碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，其特征在于：
2.如权利要求1所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，其特征在于：所述活性物包括以下质量份数的组分：60～70份铱、30～40份铈；所述载体碳的质量百分比为80％～90％，所述活性物的质量百分比为10％～20％。
3.如权利要求1所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，其特征在于：所述拉维斯相铱铈纳米晶的粒径为10nm～30nm。
4.一种碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法用于制备权利要求1-3任一项所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，其包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，其特征在于：将铱盐、铈盐、碳载体按照预定质量比例分散在乙醇溶液中，经过超声处理后得到混合均匀的分散液；超声处理时间为0.5小时～1小时；磁力搅拌器的温度设置为80℃～100℃，搅拌速率为300转/分钟～400转/分钟。
6.如权利要求4所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，其特征在于：所述铈盐为乙酰丙酮铈、硝酸铈中的至少一种；所
7.如权利要求4所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，其特征在于：所述氯化物盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾中的至少一种；所述碳载前驱体盐、氯化物盐与氢化钙的质量比为1：(40～50):(10～20)。
8.如权利要求7所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，其特征在于：所述保护性气氛为N2、Ar、体积分数为1％～20％的H2/Ar中的至少一种。
9.如权利要求4所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，其特征在于：所述梯度升温包括第一阶段及第二阶段，第一阶段升温速率为5℃/分钟～15℃/分钟，反应温度为250℃～300℃，反应时间为0.5小时～1小时；第二阶段升温速率为5℃/分钟～10℃/分钟，反应温度为600℃～800℃，反应时间为1小时～2小时。
10.一种权利要求1-3任一项所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂在质子交换膜水电解器的阴极及阳极的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，其特征在于：
2.如权利要求1所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，其特征在于：所述活性物包括以下质量份数的组分：60～70份铱、30～40份铈；所述载体碳的质量百分比为80％～90％，所述活性物的质量百分比为10％～20％。
3.如权利要求1所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，其特征在于：所述拉维斯相铱铈纳米晶的粒径为10nm～30nm。
4.一种碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法用于制备权利要求1-3任一项所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂，其包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，其特征在于：将铱盐、铈盐、碳载体按照预定质量比例分散在乙醇溶液中，经过超声处理后得到混合均匀的分散液；超声处理时间为0.5小时～1小时；磁力搅拌器的温度设置为80℃～100℃，搅拌速率为300转/分钟～400转/分钟。
6.如权利要求4所述的碳载拉维斯相铱铈纳米晶催化剂的制备方法，其特征在于：所述铈盐为乙酰丙酮铈...
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