一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂及其制备方法与应用
文献发布时间：2024-04-18 20:00:50
技术领域
本发明属于水电解制氢技术领域，具体涉及一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
随着全球能源紧缺，迫使人们寻找新型绿色能源来代替传统化石能源。其中，氢气被认为是未来能源的理想载体，它可以从传统化石能源（煤炭、石油、天然气等）制取，也可以由风能、太阳能等清洁能源制取。其中，由传统能源获得的氢能被称为“灰氢”，而由可再生能源制取的被称为“绿氢”。在众多制氢工艺中，质子交换膜（PEM）电解水制氢技术路线具有结构紧凑、快速启停、电流响应大、无二氧化碳排放、产物纯度高等优点。此外，PEM制氢技术非常适合与水电、风电、光伏等间歇性可再生能源进行联动，将“弃光、水、风电”转换为化学能（氢能）进行存储。
PEM电解水制氢主要涉及两个半反应过程，阴极的析氢反应（HER）和阳极的析氧反应（OER）。相较于阴极发生的HER，阳极OER过程更加的复杂，通常会存在多个电子相互作用，以及含氧中间体的吸/脱附决速过程。因此阳极的OER过程需要消耗更高的电能去加速反应的进行，因而PEM电解水中主要的能量损失来源于阳极的高电位。目前商业的阳极催化剂是IrO
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂，所述催化剂与现有的IrO
一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂，由铱和载体组成，所述载体为铌、锡、锰、锆、钽、锌、铜、钪、钛、钨的氧化物中的至少两种；所述铱占载体的质量比为0.5-2%。
优选地，所述载体中金属的摩尔比为任意比例。
优选地，所述载体为铌与锡的氧化物、或者铌与钽的氧化物；且所述铌与锡、或者铌与钽的摩尔比为1:10-10:1。
所述适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将所述载体对应的氯化盐与过量的NaNO
（2）将烘干后的样品焙烧，冷却之后用超纯水进行过滤清洗，真空干燥，得到载体；
（3）将载体与铱盐的溶液混合，在液氮条件下球磨，球磨后的样品真空干燥然后转移至管式炉中，通入H
优选地，所述NaNO
优选地，所述球磨的条件为在转速100-120rpm/min下球磨1-5h。
优选地，步骤（2）所述焙烧的条件为以2-5℃/min升温至300-600℃后焙烧1-3h。
优选地，所述铱盐为氯铱酸、醋酸铱氯、三氯化铱、铱酸铵、四氯化铱或六氯铱酸钾。
优选地，所述烧结还原的条件为以2-5℃/min升温至200-300℃后还原1-2h；所述H
优选地，所述真空干燥的条件为在50-80℃下干燥1-5h；所述稀盐酸的浓度为0.1-0.5 mol/L。
优选地，所述超声洗涤的时间为30-40min。
所述催化剂在酸性水电解析氧中的应用。
本发明的优点：
（1）本发明通过低温球磨、退火烧结、热还原等方法，得到了载体界面修饰的低铱复合催化剂，具有较大的比表面积和孔隙率，所以表面和内部孔隙中负载的Ir活性位点能够充分与反应物质进行交换，进一步促进了产物的快速析出，同时，大的孔隙的存在能够进一步避免Ir活性位点的团聚，有效提升了催化耐久性，催化活性高；
（2）载体的存在能够有效的降低贵金属Ir的使用量；
（3）与目前的商业IrO
附图说明
图1为实施例2制备得到的催化剂的TEM谱图；
图2为实施例2制备得到的催化剂的N
图3为实施例2制备得到的催化剂的孔径数据分布图；
图4为实施例1-3制备得到的催化剂和商业IrO
图5为实施例2制备得到的催化剂和商业IrO
具体实施方式
实施例1
一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂，由铱和载体组成，所述载体为Nb
所述催化剂是通过以下方法制备得到的：
（1）将5g（18.5mmol）的NbCl
（2）将烘干后的样品转移至马弗炉中以2℃/min升温至500℃，然后保持500℃焙烧2h，冷却之后用超纯水进行过滤清洗，然后转移至真空烘箱中在80℃下真空干燥3h，得到载体Nb
（3）取5g载体Nb
实施例2
步骤（3）中，加入2.5mL、铱浓度为0.02g/mL的H
实施例3
步骤（3）中，加入3.75mL、铱浓度为0.02g/mL的H
实施例4
步骤（3）中，加入5mL、铱浓度为0.02g/mL的H
实施例5
一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂，由铱和载体组成，所述载体为Nb
所述催化剂是通过以下方法制备得到的：
（1）将5g（18.5mmol）的NbCl
（2）将烘干后的样品转移至马弗炉中以2℃/min升温至450℃，然后保持450℃焙烧2h，冷却之后用超纯水进行过滤清洗，然后转移至真空烘箱中在80℃下真空干燥3h，得到载体Nb
（3）取5g载体Nb
实施例6
一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂，由铱和载体组成，所述载体为Nb
所述催化剂是通过以下方法制备得到的：
（1）将5g（18.5mmol）的NbCl
（2）将烘干后的样品转移至马弗炉中以2℃/min升温至450℃，然后保持450℃焙烧2h，冷却之后用超纯水进行过滤清洗，然后转移至真空烘箱中在80℃下真空干燥3h，得到载体Nb
（3）取5g载体Nb
实施例7
一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂，由铱和载体组成，所述载体为Nb
所述催化剂是通过以下方法制备得到的：
（1）将5g（18.5mmol）的NbCl
（2）将烘干后的样品转移至马弗炉中以2℃/min升温至450℃，然后保持450℃焙烧2h，冷却之后用超纯水进行过滤清洗，然后转移至真空烘箱中在80℃下真空干燥3h，得到载体Nb
（3）取5g载体Nb
实施例8
一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂，由铱和载体组成，所述载体为Nb
所述催化剂是通过以下方法制备得到的：
（1）将1g（3.7mmol）的NbCl
（2）将烘干后的样品转移至马弗炉中以5℃/min升温至300℃，然后保持300℃焙烧3h，冷却之后用超纯水进行过滤清洗，然后转移至真空烘箱中在50℃下真空干燥5h，得到载体Nb
（3）取5g载体Nb
实施例9
一种适用于酸性水电解析氧的铱基载体界面修饰复合催化剂，由铱和载体组成，所述载体为Nb
所述催化剂是通过以下方法制备得到的：
（1）将5g（18.5mmol）的NbCl
（2）将烘干后的样品转移至马弗炉中以3℃/min升温至600℃，然后保持600℃焙烧1h，冷却之后用超纯水进行过滤清洗，然后转移至真空烘箱中在80℃下真空干燥1h，得到载体Nb
（3）取5g载体Nb
性能检测
1.TEM检测
将实施例2得到的Ir@Nb
2.N
图2为实施例2制备得到的Ir@Nb
3.孔径分布检测
图3为实施例2制备得到的Ir@Nb
4.电化学表征
4.1极化电流曲线
将实施例1-3以及商业IrO
4.2电化学活性面积（ECSA）
对实施例2得到的Ir@Nb