单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂及制备方法和应用

本发明属于电催化，特别涉及一种单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂及制备方法和应用。

背景技术：

1、随着全球能源危机和环境污染问题日益严峻，开发清洁、可持续的能源已成为当今社会发展的迫切需求。氢能作为一种高热值、零污染的绿色能源，被视为未来能源结构转型的重要方向。电解水制氢能够将太阳能、风能等可再生能源转化为氢能，是实现氢能规模化应用的关键技术之一。电解水过程包含阴极析氢反应与阳极析氧反应，其中析氧反应（oer）为四电子转移过程，反应动力学迟缓，反应过电位高，是制约电解水整体能效的主要瓶颈，因此需要高效的电催化剂降低反应能垒。

2、目前商用析氧催化剂以铱、钌基贵金属氧化物为主，其中钌基材料价格相对低廉，催化活性优异，应用前景广阔。传统 ruo2催化剂存在晶体结构易坍塌、活性组分易团聚流失、长期运行稳定性差等问题，同时单一钌基氧化物电子结构可调性差、传质效率低，无法满足工业化应用要求。

3、烧绿石型氧化物具有独特的三维孔道结构、良好的电子传导能力与结构稳定性，是理想的电催化基体材料。现有技术多采用钴、锰、钼、钒多种金属混杂掺杂，不同金属掺杂机理差异大，难以统一调控制备工艺，批量生产重复性差。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题提出一种单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂及制备方法和应用，其构思在于仅选用五水硫酸氧钒作为单一掺杂源，通过钒元素掺杂配合高温煅烧引入晶格缺陷，精准调控材料电子结构、增加表面活性位点，优化氧中间体吸附能，协同提升析氧催化活性与稳定性，简化原料体系，降低工艺调控难度。

2、第一方面，本发明提出一种单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤一：将六水合硝酸钇与三水合三氯化钌加入去离子水中，再加入五水硫酸氧钒、柠檬酸与乙二醇；搅拌均匀，在80~120 ℃进行油浴反应，直至形成凝胶，在100~120 ℃真空干燥得到凝胶前驱体；

4、所述三水合三氯化钌与六水合硝酸钇、五水硫酸氧钒、柠檬酸、乙二醇的物质的量之比为 1.0 : 0.6~0.95 : 0.03~0.2 : 1.5~3 : 1.8~3.6；

5、步骤二：将干燥后的凝胶前驱体充分研磨至过150目，在空气气氛下煅烧直至得到黑色固体，煅烧温度为 700~1000 ℃，保温时间为 3~6 h；自然冷却至室温，得到所述催化剂。

6、更具体的， 步骤一中所述油浴反应时间为 8~10 h。

7、更具体的，步骤一中所述真空干燥的时间为 4~8 h。

8、更具体的，步骤二中煅烧升温速率为 2~10 ℃/min。

9、更具体的，所述的煅烧在马弗炉中完成。

10、更具体的，上述制备方法的具体步骤如下：

11、步骤一：将六水合硝酸钇与三水合三氯化钌加入去离子水中，再加入五水硫酸氧钒、柠檬酸与乙二醇；搅拌均匀，在80~120 ℃进行油浴反应，直至形成凝胶；所述油浴反应时间是8~10 h；真空干燥得到凝胶前驱体，真空干燥温度为 100~120 ℃，真空干燥时间为4~8 h；

12、所述三水合三氯化钌与六水合硝酸钇、五水硫酸氧钒、柠檬酸、乙二醇的物质的量之比为 1.0 : 0.6~0.95 : 0.03~0.2 : 1.5~3 : 1.8~3.6；

13、步骤二：将干燥后的凝胶前驱体充分研磨至过150目，在空气气氛下煅烧直至得到黑色固体，煅烧升温速度是5 ℃/min；煅烧温度为 700~1000 ℃，保温时间为4h；自然冷却至室温，得到所述的催化剂。

14、第二方面，本发明提出上述的制备方法制得的钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂。

15、第三方面，本发明提出上述的钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂的应用。

16、本发明产生的有益效果在于：采用溶胶 - 凝胶结合高温煅烧工艺制备钌基烧绿石复合催化剂，通过金属钒与晶格缺陷协同调控电子结构，有效降低析氧反应能垒。本发明制备工艺简单易操作、原料成本低、重复性好，为高效钌基析氧电催化剂的开发与工业化应用提供了新方向。

1.一种单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂的制备方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求 1 所述的单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中所述油浴反应时间为 8~10 h。

3.根据权利要求 1 所述的单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中真空干燥的时间为 4~8 h。

4.根据权利要求 1 所述的单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤二中煅烧升温速率为 2~10 ℃/min。

5.根据权利要求 1 所述的单钒掺杂钌基烧绿石结构的三维复合电解水催化剂的制备方法，其特征在于，所述的煅烧在马弗炉中完成。

6.根据权利要求1所述的单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂的制备方法，其步骤包括：

7.根据权利要求 1~6 任一所述制备方法制得的钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂。

8.根据权利要求 1 所述方法制备的单钒掺杂钌基烧绿石结构电解水催化剂在酸性电解液电解水析氧反应中的应用。