一种铬掺杂二氧化钌催化剂及其制备方法

本发明涉及质子交换膜水电解槽阳极催化剂制备，具体是一种铬掺杂二氧化钌催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球能源危机和气候变化问题的日益严峻，氢能作为一种清洁、高效的二次能源备受关注。在众多制氢技术中，质子交换膜水电解槽（pemwe）因其电流密度大、产气纯度高、响应速度快、与可在生能源匹配性好等优点，被认为极具发展前景。然而，其阳极析氧反应动力学极为缓慢，是整个水电解过程的效率瓶颈。更为关键的是，在强酸性和高阳极电位的苛刻工况下，绝大多数催化剂面临严重腐蚀和结构破坏问题，导致活性与稳定性难以兼顾，这已成为制约该技术大规模商业化应用的核心障碍。

2、在酸性介质中，作为公认性能优异的钌氧化物催化剂表现出“高活性-低稳定性”的典型权衡关系，常借助异质原子掺杂等改性策略，以解决其稳定性差的问题。此外，从催化剂制备角度看，现有获得粒径分布均匀的异质原子掺杂二氧化钌催化剂的方法存在明显局限。例如，溶胶-凝胶法或水热法常面临前驱体水解速率难以控制和掺杂元素易偏析的问题，实现异质元素的原子级掺杂仍面临挑战；分子前驱体-模板介导法需要依赖复杂退火气氛控制设备，工艺窗口窄，不利于规模化生产。

3、因此，开发一种工艺简单、易于放大、性能优异、且能实现异质原子在二氧化钌晶格中高度均匀掺杂的合成方法，对推动电解水制氢的实用化具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铬掺杂二氧化钌催化剂及其制备方法，以解决现有技术中的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种铬掺杂二氧化钌催化剂的制备方法，所述制备方法包括：

4、s1、取去离子水和无水乙醇混合于烧杯中，再称量cr(acac)3、ru(acac)3和kbr溶于烧杯内，得到溶液a。

5、s2、将s1的烧杯转移到油浴锅中，蒸干溶剂并自然冷却到室温后，刮取烧杯得板结状固体粉末b。

6、s3、对固体粉末b研磨并均匀分散于陶瓷方舟中，退火得固体粉末c。

7、s4、将固体粉末c分散于离心管中的溶液里，室温下超声后，采用真空抽滤方式分离固液相，对固相粉末清洗干燥后，得到铬掺杂二氧化钌催化剂。

8、进一步地，所述s1的具体操作如下：

9、取30ml去离子水和180ml无水乙醇混合于烧杯中，再称量42.1-43mg的cr(acac)3、192mg的ru(acac)3和1800mg的kbr溶于烧杯内的混合液中，在室温条件下剧烈搅拌或超声10-15min得到溶液a。

10、进一步地，所述s2的具体操作如下：

11、将盛有溶液a的烧杯转移到油浴锅中，在搅拌条件下进行敞口蒸发，在80°c的环境下保持10h，待溶剂完全蒸干，烧杯自然冷却到室温后，取出烧杯，刮取得到板结状固体粉末b。

12、进一步地，所述s3的具体操作如下：

13、对s2得到的固体粉末b研磨5-10min后，均匀分散于陶瓷方舟中，在马弗炉内500-600°c空气气氛下退火90min，得到固体粉末c。

14、进一步地，所述s4的具体操作如下：

15、将s3所得固体粉末c，分散于离心管中的溶液里，室温下超声5min后，采用真空抽滤方式分离固液相，固相粉末清洗后，在60°c真空环境下干燥8h-12h后，得到铬掺杂二氧化钌催化剂。

16、进一步地，其中，所述离心管内的溶液为30ml的去离子水。

17、一种铬掺杂二氧化钌催化剂，通过所述的铬掺杂二氧化钌催化剂的制备方法制备，所述铬掺杂二氧化钌催化剂制备所需原料如下：42.1-43mg的乙酰丙酮铬cr(acac)3、192mg的乙酰丙酮钌ru(acac)3、1800mg的溴化钾kbr、40-120ml的去离子水、200-300ml的无水乙醇。

18、一种铬掺杂二氧化钌催化剂在质子交换膜水电解槽阳极催化中的应用。

19、本发明的有益效果：

20、1、本发明制备方法，不但工艺简单，易于操作，且易于规模化。采用模板介导的铬促进氧化法，以溴化钾盐模板为结构导向剂，以含铬物种为促氧化剂，无需复杂针对前驱体分解进行额外、复杂且精确的气氛控制（如惰性气氛防止氧化，或氧化气氛加速氧化等）。在普通马弗炉的空气气氛条件即可完成制备，适合工业化放大生产，为质子交换膜水电解槽阳极侧催化剂的大规模、可控制备提供切实可行的路径。

21、2、本发明制备方法，以乙酰丙酮盐为分子前驱体，利用其配体分散作用，结合模板剂的限域效应，实现了掺杂剂铬在二氧化钌晶格中的原子级分散，避免了相分离或异质结的形成。此外，该催化剂平均约3.6nm的超细粒径能够充分暴露催化剂活性位点，大幅度降低电催化水分解制氢中的能耗。

22、3、该制备过程优选了铬作为掺杂剂，其独特铬促进氧化效应简化了纯相氧化物合成的工艺窗口。在相同制备条件下，元素周期表中同一周期的锰、铁、钴、镍和铜等过渡金属掺杂均导致产物中出现金属钌杂相，而唯独铬掺杂能完全抑制金属钌的生成，实现纯相金红石型二氧化钌的制备。

1.一种铬掺杂二氧化钌催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种铬掺杂二氧化钌催化剂的制备方法，其特征在于，所述s1的具体操作如下：

3.根据权利要求2所述的一种铬掺杂二氧化钌催化剂的制备方法，其特征在于，所述s2的具体操作如下：

4.根据权利要求3所述的一种铬掺杂二氧化钌催化剂的制备方法，其特征在于，所述s3的具体操作如下：

5.根据权利要求4所述的一种铬掺杂二氧化钌催化剂的制备方法，其特征在于，所述s4的具体操作如下：

6.根据权利要求5所述的一种铬掺杂二氧化钌催化剂的制备方法，其特征在于，其中，所述离心管内的溶液为30ml的去离子水。

7.一种铬掺杂二氧化钌催化剂，通过如权利要求1-6任意一项所述的铬掺杂二氧化钌催化剂的制备方法制备，其特征在于，所述铬掺杂二氧化钌催化剂制备所需原料如下：42.1-43mg的乙酰丙酮铬cr(acac)3、192mg的乙酰丙酮钌ru(acac)3、1800mg的溴化钾kbr、40-120ml的去离子水、200-300ml的无水乙醇。

8.一种如权利要求7所述的铬掺杂二氧化钌催化剂在质子交换膜水电解槽阳极催化中的应用。