本发明专利技术公开了一种PEM电解水Ir/MnO<subgt;2</subgt;负载型催化剂及其制备方法，属于PEM电解水制氢催化剂领域，该催化剂为Ir纳米颗粒通过阳离子交换法均匀负载于高价态Nb<supgt;+5</supgt;改性的MnO<subgt;2</subgt;纳米棒上，其中Nb含量为1‑3wt.％，Ir负载量为5‑10wt.％，所述催化剂适用于全pH体系；得益于高价态Nb<supgt;+5</supgt;元素掺杂改性，Nb‑MnO<subgt;2</subgt;载体改善了低电导率和高Mn溶出率等缺点。棒状结构的Nb改性的MnO<subgt;2</subgt;可以起到类似电子导线的作用，提高电子转移速率使Ir可以源源不断的得到电子进行催化反应。贵金属Ir可以作为析氧反应的活性中心，催化析氧反应高效进行，两者协同作用各司其职，导致Ir/Nb‑MnO<subgt;2</subgt;催化剂相较于IrO<subgt;2</subgt;催化剂性能有着明显提高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于pem电解水制氢领域，涉及一种pem电解水ir/mno2负载型催化剂及其制备方法，具体涉及将ir负载于nb元素掺杂改性mno2纳米棒载体上的ir/nb-mno2负载型催化剂及其制备方法，该催化剂可作为电催化分解水制氢的阳极催化剂应用。
技术介绍
1、面对日益严峻的气候变化和能源危机,开发利用清洁可再生能源是当下的迫切需求。其中，氢能作为一种高效、清洁的次世代能源,具有重要的战略意义。这是因为：第一，氢能可以大规模储存间歇性可再生能源,提高可再生能源比例,实现能源结构的低碳化；第二，氢能应用范围广泛,既可在需求端发电,也可用于燃料电池汽车等交通工具,助推交通电动化；第三，氢能环保高效,使用时只产生水,能有效减少碳排放和污染；第四，氢能加速构建供需、产储运一体化的新型能源体系,提高能源体系的灵活性和安全性；第五，发展氢能产业能够带动相关技术创新,推动经济发展与环境优化的双赢。
2、总之，氢能作为一种理想的绿色替代能源,其重要性正在日益凸显。大力发展氢能对保护环境与应对气候变化意义重大。
3、电解水制氢技术绿色环保、操作简便,可利用可再生电力进行制氢，过程零污染，设备结构简单；然而该技术效率较低、设备投资和制氢成本较高，需要提纯的水源，难以大规模商业化应用。电解水制氢技术的主要缺点在于催化剂成本高，现阶段电解水制氢主要使用稀缺的贵金属催化剂如铂，其价格昂贵，严重制约了电解制氢技术的经济效益和大规模商业化应用。开发低成本的贵金属负载型催化剂替代纯贵金属催化剂,是实现电解水制氢产业化的关键。
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p>4、典型的贵金属负载型催化剂是将少量贵金属颗粒高度散布固定在非贵金属基体上，发挥了最佳的催化效果。目前，电解水中所用载体多为氧化物[1-4]，如mno2、tio2、sno2和co3o4等。但是在恶劣的化学环境和高氧化电位下，这些氧化物溶出现象很明显；同时氧化物通常电导率低，不利于电子转移从而限制电解水制氢反应进行。5、[1]cn114561662a一种pem电解水催化剂、其制备方法及用途。
6、[2]cn114540871a用于pem电解水阳极的无定形铱锰二元催化剂的制备方法。
7、[3]cn115369444a一种高性能的一体化析氧反应电极材料、制备方法及应用。
8、[4]cn115888709a一种二氧化锰纳米线负载贵金属催化剂及其制备方法与应用。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于克服上述不足，提供一种利用高价态nb(ⅴ)元素改性mno2，然后负载ir纳米颗粒形成ir/nb-mno2催化剂及其制备方法，本专利技术可以减少贵金属使用量，优于商业贵金属催化剂。
2、本专利技术的技术方案为：
3、一种pem电解水ir/nb-mno2负载型催化剂，利用高价态nb5+掺杂mno2增加其电导率以及抑制溶出，其中nb掺杂量为1-3wt.％，然后通过阳离子交换法实现超小ir纳米颗粒的均匀负载于nb-mno2上，ir负载量为5-10wt.％；得益于高价态nb5+的加入，催化剂拥有优异的电化学活性以及超长稳定性。
4、进一步地，所述小尺寸ir纳米颗粒的直径范围1-2nm。
5、进一步地，所述nb-mno2纳米棒上的平均直径约为30nm，平均长度约为400nm。
6、本专利技术还提供一种所述的催化剂的制备方法，包括：采用阳离子交换法将贵金属ir负载于nb-mno2纳米棒上；所述载体为自制的进行高价态nb+5掺杂改性后的nb-mno2纳米棒，贵金属ir负载量为5-10wt.％。
7、进一步，所述步骤具体包括：
8、a)称量一定量的硝酸锰、高锰酸钾和五氯化铌于烧杯中，加入适量超纯水进行溶解；
9、b)将上述溶液进行超声一段时间，然后进行高温油浴反应一段时间；
10、c)将上述悬浊液进行真空抽滤，即可制备出nb元素掺杂改性的mno2纳米棒载体；
11、d)最后将一定量可溶性贵金属盐加入一定量的nb-mno2分散液中，进行剧烈搅拌搅拌时间不少于12h；
12、e)最后对沉淀进行清洗，置于真空干燥箱下干燥即可得到pem电解水催化剂。
13、进一步，贵金属可溶性盐有水合氯铱酸、水合三氯化铱等，质量浓度为20-50mg/ml，搅拌时间不低于12h。
14、进一步，催化剂的干燥气氛为真空或者惰性气体，干燥时间为5-10小时。
15、本专利技术的机理及有益效果：
16、本专利技术的ir/nb-mno2负载型催化剂，利用高价态nb+5掺杂改性mno2，赋予nb-mno2氧化物高电导率和低mn溶出率的特点，从而用于高效电解水制氢。同时，棒状结构的nb-mno2可以起到类似电子导线的作用，提高电子转移速率使ir可以源源不断的得到电子进行催化反应。贵金属ir可以作为析氧反应的活性中心，催化析氧反应高效进行，两者协同作用各司其职，导致ir/nb-mno2催化剂相较于iro2催化剂性能有着明显提高。本专利技术的有益效果包括：
17、(1)催化剂的析氧过电位低，电解水析氧活性高，同时将ir/nb-mno2催化剂与iro2作了对比，在不用ph溶液中，发现ir/nb-mno2的析氧过电位都要明显优于iro2。
18、(2)本专利技术提供的ir/nb-mno2催化剂，相较于单独的mno2氧化物，其电导率有显著提高，这有助于增加电化学反应速率。
19、(3)本专利技术提供的ir/nb-mno2相对于iro2催化剂而言，贵金属用量低，同时由于负载于nb-mno2纳米棒上，这一特殊结构可以提供大量的反应活性位点，活性更高。
20、(4)本专利技术提供的催化剂既能够耐酸，也能够耐碱，适用于体系多样，可以用于全ph领域的电解水反应。
21、(5)本专利技术提供的催化剂ir/nb-mno2结构非常稳定，ir会形成超小的纳米颗粒，并且不会发生严重的团聚现象，得益于高价态nb元素加入和小尺寸ir纳米颗粒负载使得催化剂的催化活性可以稳定很久，在酸、碱体系中都能够长期使用，活性不发生衰减。
22、(6)本专利技术成功地将ir/nb-mno2催化剂应用于电解水中析氧反应的催化，其反应活性比纯iro2要高很多，同时还可以稳定运行很久。ir/nb-mno2催化剂析氧过电位低，催化效率高，性能稳定，价格低廉，制备简单，可以成为代替纯贵金属iro2催化剂的最为理想的催化剂之一。
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【技术保护点】
1.一种PEM电解水Ir/MnO2负载型催化剂，其特征在于：先利用高价态Nb+5掺杂MnO2形成Nb-MnO2载体，然后通过阳离子交换法实现Ir纳米颗粒均匀负载于Nb-MnO2上形成Ir/Nb-MnO2负载型催化剂；所述高价态Nb+5掺杂用于在增加Nb-MnO2载体电导率的同时抑制Mn的溶出；其中Nb掺杂量为1-3wt.％，Ir负载量为5-10wt.％。
2.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述Ir纳米颗粒的直径为1-2nm。
3.如权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于：所述Nb-MnO2载体为纳米棒结构，其平均直径为30nm、平均长度为400nm。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的一种PEM电解水Ir/MnO2负载型催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤b)中油浴温度为80-120℃。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤b)中反应时间为8-12h。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤d)中可溶性贵金属盐为水合氯铱酸或水合三氯化铱，质量浓度为20-50mg/ml。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤d)中剧烈搅拌时间不低于12h。
9.如权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤e)中干燥方式为置于真空干燥箱中、气氛为真空或者惰性气体。
10.如权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤e)中干燥时间为5-10小时。
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【技术特征摘要】
1.一种pem电解水ir/mno2负载型催化剂，其特征在于：先利用高价态nb+5掺杂mno2形成nb-mno2载体，然后通过阳离子交换法实现ir纳米颗粒均匀负载于nb-mno2上形成ir/nb-mno2负载型催化剂；所述高价态nb+5掺杂用于在增加nb-mno2载体电导率的同时抑制mn的溶出；其中nb掺杂量为1-3wt.％，ir负载量为5-10wt.％。
2.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述ir纳米颗粒的直径为1-2nm。
3.如权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于：所述nb-mno2载体为纳米棒结构，其平均直径为30nm、平均长度为400nm。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的一种pem电解水ir/mno2负载型催化剂的制备...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘锋，邓润旭，高世鑫，刘健，栗云彦，张潇，唐玲，
申请(专利权)人：云南贵金属实验室有限公司，
类型：发明
国别省市：
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