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氧化铱-铂复合纳米催化剂、制备方法及其应用与流程

2021-09-25 01:03:00 来源:中国专利 TAG:催化剂 阳极 复合 电解 纳米

氧化铱

铂复合纳米催化剂、制备方法及其应用
技术领域
1.本发明属于水电解技术领域,具体涉及一种用于纯水电解阳极复合析氧纳米催化剂,特别地,涉及一种氧化铱和铂复合阳极析氧催化剂、其制备方法及应用。


背景技术:

2.氢能是一种绿色环保的能源,相比于化石能源,更加环保高效。利用水电解制氢,是一种实用价值高、安全绿色的获取氢气的方法,在工业中的各个领域得到广泛的应用。其中,固体聚合物电解质(spe)水电解制氢技术具有制得的气体产品纯度高,工艺维护量少,制氢成本低等优点。
3.水电解涉及两个电极反应,氢电极(阴极)反应的可逆性好,研究相对成熟,据报道氢电极材料的过电位已经降低至十几毫伏,而氧电极(阳极)反应过程较慢,中间过程和中间产物多,其过电位往往达到数百毫伏,析氧电位高,催化条件苛刻。因此,阳极对催化剂的稳定性要求高,即使是贵金属材料在高电位和酸性环境中,也面临着腐蚀和溶解的问题,这也使阳极催化剂面临着巨大的考验,并且也是限制水电解发展的关键环节。因此,阳极的去极化对于整个电解水制氢的能耗降低具有重要意义,而阳极的析氧去极化主要靠阳极催化剂。
4.目前,阳极催化剂主要采用ir、ru、pt、ir氧化物、ru氧化物等具有析氧能力和耐腐蚀能力的金属、金属氧化物及合金催化剂。在与强酸性的nafion质子导体接触和氧原子存在的强氧化环境中,ni、co等非贵金属很容易被氧化或被腐蚀溶解,虽然有掺非贵金属的复合催化剂研究,但目前实际应用于规模化生产的催化剂极少。因此,目前spe水电解析氧电极还是使用贵金属催化材料。
5.其中,ruo2和iro2属于半导体型氧化物,具有金属导电性,可用于析氧反应,是比较好的析氧催化剂。在水电解方面,酸性条件下,阳极析氧反应(oer)中,阳极过电位ru=ir<pd<rh<pt<au<nb,这表明在阳极的金属催化剂中,ru和ir是催化oer的主要催化剂。从稳定性方面看,热解的ruo2在400h之前性能比较稳定,随后则迅速下降。在单元析氧催化剂中,ruo2和iro2是最好的析氧催化剂。然而,铱价格昂贵,大规模生产成本太高;ruo2在酸性条件下析氧电位比较低,但不稳定,不适合长期电解。可见,单元贵金属催化剂要么太贵,成本高;要么稳定性欠佳,寿命短。这样,二元贵金属析氧催化剂就自然地引起了研究人员的关注和研究。
6.二元贵金属催化剂的研究中,首先是ruo2和iro2的复合,试图在保持原有活性的前提下解决ruo2长期电解稳定性下降快的问题。xrd分析表明,ruo2和iro2这两种氧化物都是非化学计量的,其中ruo2为缺氧结构(ruo2‑
x
)而iro2为富氧结构(iro
2 x
)。它们的混合氧化物具有相互配比的协同效应,所以在ruo2中添加iro2可以提高ruo2稳定性。此外,ruo2和iro2还可分别与ta2o5、tio2、sno2等惰性组分结合以获得稳定结构。然而,与非贵金属组成的二元复合催化剂虽然降低了成本,但析氧活性及稳定性还不能令人满意。
7.因此,在水电解领域中,仍需要对阳极催化剂进一步优化,使能够得到一种水电解
阳极具有导电性好,析氧催化活性高,选择性好,良好的机械性能和电化学稳定性,满足实际生产的需求。


技术实现要素:

8.为解决上述问题,本发明人经过锐意研究,利用溶胶凝胶法制备得到了含有氧化铱和金属铂的复合纳米催化剂,该复合纳米催化剂粉体中各物相均匀分布、粉体粒度为20

100nm且分散性好、纯度高、工艺简单,并且其良好的催化剂活性及稳定性,进一步降低阳极层的过电位,制备工艺简单,适用于工业化应用。
9.本发明第一方面的目的在于提供一种氧化铱

铂复合纳米催化剂,所述催化剂包含氧化铱和金属态铂,二者均匀地分布于纳米颗粒中,其析氧过电位低于纳米氧化铱的析氧过电位,纳米氧化铱粒径为20

100nm。
10.所述氧化铱

铂复合纳米催化剂中,氧化铱与铂的质量比为(1

15):1,优选为(5

12):1,更优选为(8

10):1。
11.本发明第二方面的目的在于提供所述氧化铱

铂复合纳米催化剂的制备方法,所述方法将包括铱源和铂源的原料加入到溶剂中,形成均匀的溶液,以确保纳米复合催化剂中各物相均匀分布。沉淀后煅烧,得到氧化铱

铂复合纳米催化剂。所述方法包括以下步骤:
12.步骤1、将铱源和铂源加入到溶剂中,混合后得到反应液;
13.步骤2、调节反应液ph值,使其产生沉淀并陈化,得到前驱体;
14.步骤3、煅烧前驱体,得到氧化铱

铂复合纳米催化剂。
15.本发明第三方面的目的在于提供所述氧化铱

铂复合纳米催化剂的用途,所述氧化铱

铂复合纳米催化剂用于电解水,尤其是用于纯水电解池中的阳极,优选地,用于制备固体聚合物电解质水电解池中的膜电极,尤其是制备膜电极中的阳极催化层和/或阳极气体扩散层。
16.本发明中提供的氧化铱

铂复合纳米催化剂具有以下有益效果:
17.(1)本发明中氧化铱

铂复合纳米催化剂的过电位低于纳米氧化铱,具有更优良的阳极催化剂性能。并且该复合催化剂连续进行3000小时纯水电解后,过电位仅增大4.4%,说明其具有良好的稳定性,满足工业使用的要求。
18.(2)与纯氧化铱阳极相比,本发明不仅降低了材料成本,而且提高了催化性能,综合效益明显。另外,本发明中还可以利用其他辅助掺杂元素得到多元氧化铱

铂复合纳米催化剂,以达到进一步降低原料成本、提高催化剂活性的目的。
19.(3)本发明中氧化铱

铂复合纳米催化剂的制备工艺简单,容易操作和控制,得到的复合纳米催化剂各成分分布均匀,产物纯度高,使其综合性能得到大幅提高,有利于开展工业化的应用。
20.(4)本发明制备的氧化铱

铂复合纳米催化剂应用于spe的膜电极中阳极催化层,也能够将复合电极附着于阳极气体扩散层中,以减少膜电极中各组件间的电阻,提高spe电解池性能及水电解效率。
附图说明
21.图1示出本发明实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ的xrd测试图;
22.图2示出本发明实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ的sem测试图;
23.图3示出本发明实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ的eds侧视图;
24.图4示出本发明iro2、氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ和氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅲ的析氧极化曲线;
25.图5示出本发明实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ制备的电极初始(initial)及循环5000次(5000cv)后的析氧极化曲线;
26.图6示出本发明实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ制备的电极电解持续进行1000小时、2000小时及3000小时后的析氧过电位变化曲线;
27.图7示出本发明膜电极中的固体聚合物电解质膜1和气体扩散层2的结构示意图。
28.附图标号说明
[0029]1‑
固体聚合物电解质膜;
[0030]
11

质子交换膜;
[0031]
12

阴极催化层;
[0032]
13

阳极催化层;
[0033]2‑
气体扩散层;
[0034]
21

阳极气体扩散层;
[0035]
22

阴极气体扩散层。
具体实施方式
[0036]
下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明,本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0037]
本发明利用溶胶凝胶法制备了一种水电解用析氧复合纳米催化剂,该催化剂中以氧化铱复合金属铂,得到纳米级复合催化剂,进一步降低了析氧催化剂的过电位,氧化铱和金属态铂均匀分布,并且具有良好的稳定性,综合性能好,制备方法简单,有利于规模化的生产及应用。
[0038]
本发明第一方面提供了一种氧化铱

铂复合纳米催化剂,所述催化剂包含氧化铱和金属态铂,其析氧过电位低于纳米氧化铱的析氧过电位,纳米氧化铱粒径为20

100nm。
[0039]
所述氧化铱

铂复合纳米催化剂中,氧化铱与铂的质量比为(1

15):1,优选为(5

12):1,更优选为(8

10):1。
[0040]
在水电解析氧反应过程中,中间过程复杂,导致中间产物多,动力学过程慢,阳极过电位较高,催化条件恶劣,因此对阳极的要求十分苛刻。而在spe电极结构中,所使用的质子交换膜浸水后具有很强的酸性,在析氧环境下,阳极材料容易溶解或钝化。铂和铂族金属由于具有显著的催化活性和稳定性,一直被大量采用。但是,现有的水电解阳极多采用反复进行喷涂、烘干、烧结,或者在铂电极上制备二氧化铱层,得到的阳极多有开裂、分布不均、性能稳定性差等缺点,并且操作较为繁琐,工艺制备时间长。
[0041]
本发明中,iro2‑
pt形成复合催化剂,其中,铱以氧化物相存在,铂以金属相存在,二者混合均匀分布,颗粒尺寸20

100nm,比表面催化位点丰富,催化剂析氧活性好,复合相分布的均匀性、氧化铱和铂粒子匹配性好,得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂的析氧过电位得到进一步降低,并且具有良好的稳定性。
[0042]
在铂族金属中,析氧过电位顺序为ruo2<iro2<pdo<pt,其耐酸性介质腐蚀能力的顺序为iro2>pt>ruo2>pdo。在酸性条件下,iro2的电催化活性仅次于ruo2,而在析氧环境中,却能保持很高的稳定性,其使用寿命是相同条件下ruo2的20多倍,成为析氧用阳极的理想催化材料。
[0043]
本发明中采用pt与iro2的复合相,形成均匀分布的催化剂,使复合催化剂在其他条件相同的条件下,相比纳米iro2具有更低的析氧过电位,能够下降10%

15%,并且在酸性析氧环境下具有良好的稳定性,电解纯水3000小时后,电极过电位仅上升4.4%,使析氧催化剂的综合性能得到有效提高,在spe水电解的工业领域中具有良好的应用前景。
[0044]
在本发明的一种实施方式中,所述氧化铱

铂复合纳米催化剂还包含辅助掺杂元素,选自非铂和铱的过渡金属元素中的一种或几种,优选为钛、钌、铷、锇、铌、铑、钨、钼、铼、铬和钯中的一种或几种,更优选为钛和铬中的一种或几种。所述辅助掺杂元素为金属态或氧化态。
[0045]
所述铱元素与辅助掺杂元素的摩尔比为(80

180):1,优选为(95

160):1,更优选为(110

135):1。
[0046]
根据实际生产环境及生产条件的需要,可向氧化铱

铂复合纳米催化剂中加入辅助掺杂元素。氧化铱

铂复合纳米催化剂中复合钛或氧化钛,可以在不降低阳极性能的前提下,降低阳极的原料成本;复合氧化钌、锇、钯、钨、钼、铬和氧化锇,在电解过程中,有利于电极稳定性,进一步提高阳极性能。
[0047]
所述氧化铱

铂复合纳米催化剂的粒径为20

100nm,优选为25

80nm,更优选为30

60nm。
[0048]
本发明第二方面提供了所述氧化铱

铂复合纳米催化剂的制备方法,所述方法将包括铱源和铂源的原料加入到溶剂中,沉淀后煅烧,得到氧化铱

铂复合纳米催化剂。所述方法包括以下步骤:
[0049]
步骤1、将铱源和铂源加入到溶剂中,混合后得到反应液。
[0050]
所述铱源选自含铱化合物,如三氯化铱、四氯化铱、氯铱酸等,优选为三氯化铱或氯铱酸,如三氯化铱。
[0051]
所述铂源选自含铂化合物,如氯铂酸。
[0052]
所述溶剂为水。根据铱源和铂源在溶剂中的溶解性选择酸性水或中性水,使铱源和铂源溶解于溶剂中,混合均匀。本发明中的制备方法中采用水相进行反应,成本低,污染小,有利于工业化生产。
[0053]
所述混合温度为40

70℃,优选为45

65℃,更优选为50

60℃。在加热条件下,促进铂源和铱源的溶解,使溶液中的铱和铂充分接触、混合均匀。
[0054]
所述铱源与铂源的加入量使所述氧化铱

铂复合纳米催化剂中,氧化铱与铂的质量比为(1

15):1,优选为(5

12):1,更优选为(8

10):1。
[0055]
在本发明的一种实施方式中,还加入辅助掺杂元素源,其选自含有辅助掺杂元素的化合物,如硫酸钛、四氯化钛、水溶性三氯化钌、六氯锇酸钠、四氯钯酸钠、钨酸铵、钼酸钠、硝酸铬等,优选为四氯化钛、硝酸铬。
[0056]
将铱源、铂源,还有辅助掺杂元素源,加入到溶剂中,使其溶液混合充分,能够使金属元素之间充分接触,均匀分布,在提高催化剂中各成分的均一性,使金属元素间进行更好
的协同作用,增强催化剂的性能及稳定性。
[0057]
所述铱源与辅助掺杂元素源的摩尔比为(80

180):1,优选为(95

160):1,更优选为(110

135):1。其中,铱源的摩尔量以其中铱元素的摩尔量计,辅助掺杂元素源的摩尔量以其中掺杂元素的摩尔量计。
[0058]
步骤2、调节反应液ph值,使其产生沉淀并陈化,得到前驱体。
[0059]
向反应液中加入碱性物质,调节其ph值,使溶液中的金属离子形成沉淀从反应液中析出。所述ph值为6.5

13,优选为使金属离子能够充分沉淀的ph值,例如9

10。
[0060]
所述碱性物质为无机碱或有机碱,优选为无机强碱,例如氢氧化钠。
[0061]
优选在保温条件下进行陈化,所述陈化温度为50

60℃,优选为55℃。所述陈化时间为2

7h,优选为3.5

5.5h。
[0062]
洗涤前驱体3

7次,洗涤溶剂为水或醇类溶剂。
[0063]
步骤3、煅烧前驱体,得到氧化铱

铂复合纳米催化剂。
[0064]
将前驱体干燥后,进行煅烧。
[0065]
所述煅烧温度为600

1100℃,优选为700

1000℃,更优选为800

900℃;所述煅烧时间为0.5

7h,优选为1.0

5h,更优选为1.5

3h。锻烧温度能够直接影响复合催化剂的物相及性能。当温度低于600℃时,金属相铂难以形成,800℃以上,确保所有铂形成金属相态,对于纳米催化材料的结晶度也有益处。但煅烧温度太高,晶粒易长大,对材料的纳米化不利。另外,锻烧时间小于0.5h时,物相转化不完全,大于3h时晶粒易长大、比表面收缩,催化活性会降低。
[0066]
本发明第三方面提供了所述氧化铱

铂复合纳米催化剂的用途,所述氧化铱

铂复合纳米催化剂用于电解水制氧,尤其是用于制备纯水电解池中的阳极,优选地,用于制备固体聚合物电解质水电解池中的膜电极,尤其是制备膜电极中的阳极催化层和/或阳极气体扩散层。
[0067]
所述膜电极包括固体聚合物电解质膜1和气体扩散层2。所述固体聚合物电解质膜1两侧分别带有阴极催化层12和阳极催化层13,中间为质子交换膜11。所述气体扩散层2包括阴极气体扩散层22和阳极气体扩散层21,分别置于带有阴极催化层12和带有阳极催化层13的固体聚合物电解质膜1一侧,如图7所示。所述固体聚合物电解质膜1和气体扩散层2通过热压形成膜电极。
[0068]
所述阳极催化剂层13由所述氧化铱

铂复合纳米催化剂制备得到。所述阳极催化剂层13通过热压法、喷涂法、转印法或干粉喷雾法将氧化铱

铂复合纳米催化剂涂覆于交换膜上,得到固体聚合物电解质膜1。
[0069]
所述阳极气体扩散层21为多孔钛板、泡沫钛或钛网,优选为泡沫钛。在本发明的一种优选实施方式中,所述阳极气体扩散层21中包含所述氧化铱

铂复合纳米催化剂。
[0070]
将多孔钛板、泡沫钛或钛网浸泡在步骤1中的反应液中,所述浸泡温度为45

65℃,更优选为50

60℃,浸泡时间为1

5h,优选为2

3h,采用超声辅助浸泡。
[0071]
浸泡结束后,将浸泡有阳极气体扩散层21的反应液进行步骤2,使前驱体陈化在阳极气体扩散层21的表面和/或内部。再将步骤2中得到的含有前驱体的阳极气体扩散层21,洗涤后干燥,进行步骤3,得到含有氧化铱

铂复合纳米催化剂的阳极气体扩散层21。本发明中不对质子交换膜11和阴极气体扩散层22做具体限定。
[0072]
本发明提供的氧化铱

铂复合纳米催化剂中包含均匀分布的氧化铱和金属铂,能够达到比纳米氧化铱更低的过电位,从而提高spe阳极催化层的活性,并且其具有良好的稳定,能够在水电解的环境中保持稳定的过电位,提高电解水的效率及膜电极的使用寿命。另外,本发明中的氧化铱

铂复合纳米催化剂制备方法简单,能够应用于制备水电解中的阳极或阳极层,有利于规模化生产及应用。
[0073]
实施例
[0074]
实施例1
[0075]
将1.651g三水合三氯化铱和0.265g氯铂酸(h2ptcl6·
6h2o)加入到50ml水中,加热至55℃左右,使其溶解。然后加入0.2m氢氧化钠溶液,调整反应液ph值到9

10,在55℃保温陈化4小时后过滤,得到沉淀物前驱体。
[0076]
用去离子水洗涤前驱体,至洗涤液用硝酸银检测不产生白色沉淀,即得前驱体。将前驱体于80℃下干燥2h后,移至马弗炉于800℃下煅烧约2小时,随炉冷却后取出,得到氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ。
[0077]
实施例2
[0078]
将2.412g氯铱酸(h2ircl6·
6h2o)和0.265g氯铂酸(h2ptcl6·
6h2o)加入到50ml水中,加热至55℃左右,使其溶解。然后加入0.2m氢氧化钠溶液,调整反应液ph值到9

10,在55℃保温陈化4小时后过滤,得到沉淀物前驱体。
[0079]
用去离子水洗涤前驱体,至洗涤液用硝酸银检测不产生白色沉淀,即得前驱体。将前驱体于80℃下干燥2h后,移至马弗炉于900℃下煅烧约2小时,随炉冷却后取出,得到氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅱ。
[0080]
实施例3
[0081]
按照实施例1中的方法制备氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅲ,区别仅在于:加入0.027g氯铂酸(h2ptcl6·
6h2o)。
[0082]
实施例4
[0083]
将2.412g氯铱酸(h2ircl6·
6h2o)、0.027g氯铂酸(h2ptcl6·
6h2o)和0.015g硝酸铬(cr(no3)3·
9h2o)加入到60ml水中,加热至55℃左右,使其溶解。然后加入0.2m氢氧化钠溶液,调整反应液ph值到9

10,在55℃保温陈化4小时后过滤,得到沉淀物前驱体。
[0084]
利用去离子水洗涤前驱体,至洗涤液用硝酸银检测不产生白色沉淀,80℃下干燥2h。将前驱体移至马弗炉于900℃下煅烧约2小时,随炉冷却后取出,得到铬掺杂氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅳ。
[0085]
实验例
[0086]
实验例1
[0087]
对实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ进行x射线衍射测试(xrd),测试结果如图1所示。
[0088]
图1中,2θ=27.9、34.7、39.9、53.9
°
等强度较大的峰分别对应iro2的(110)、(101)、(200)、(211)晶面;而2θ=39.7、46.2、67.4
°
分别对应pt的(111)、(200)、(220)晶面。晶胞参数为a=4.52、b=4.52、c=3.15,α=β=γ=90
°
,其为四方相,晶胞体积v=64.7a^3,z=2,晶粒尺寸4410埃。结果显示该氧化铱

铂复合纳米催化剂由金属pt和iro2组成。
[0089]
实验例2
[0090]
对实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ进行sem测试,测试结果如图2所示。从图2中可以明显看出,电极材料由粒度为30

50nm颗粒组成,且分布均匀,粒度均一性好。
[0091]
对实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ进行x射线能谱(eds)分析,测试结果如图3所示。
[0092]
从图3可以很明显的看出ir、pt和o元素均匀分布在整个粉末材料中,有利于活性位点的均匀分散。
[0093]
实验例3
[0094]
以去离子水为电解液,加入硫酸配成0.5m h2so4溶液(模拟spe电解槽的环境),测试iro2(市购纳米氧化铱粉末,颗粒大小20

100nm)、氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ和氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅲ的析氧过电位,其析氧极化曲线如图4所示。
[0095]
将上述待测粉末负载于玻碳电极上于同一电化学工作站测试。
[0096]
根据图4可知纳米iro2电极的析氧过电位为320mv,氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ电极的析氧过电位为274mv,氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅲ电极的析氧过电位为310mv。可见,氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ电极的析氧过电位显著降低,显示了其作为阳极催化材料的优越性。(进行过电位测试对比时,上述析氧过电位为电流密度为10ma/cm2时的过电位值。)
[0097]
实验例4
[0098]
利用实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ制备的电极在0.5m h2so4去离子水溶液中进行循环伏安曲线测试,循环测试5000次后,测试其初始(initial)及循环5000次(5000cv)后的析氧极化曲线,测试结果如图5所示。
[0099]
从图5中可以看出,氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ制备的电极最初的析氧极化曲线过电位是272mv,循环5000次后是280mv,升幅2.94%,说明其在电解水的阳极环境下具有良好的稳定性。
[0100]
采用与实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ同样的测试方法,对实施例2和实施例4中制备得到的催化剂进行循环伏安曲线测试,发现:
[0101]
实施例2制得的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅱ的析氧极化曲线过电位是261mv;
[0102]
实施例4制得的铬掺杂氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅳ的析氧极化曲线过电位是293mv。
[0103]
实验例5
[0104]
利用实施例1中制备得到的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ电极进行持续电解水,并分别在电解进行1000小时、2000小时及3000小时后,进行析氧极化曲线的测试,测试得到其析氧过电位分别为275mv、280mv、284mv,其初始析氧过电位为272mv,析氧过电位变化曲线如图6所示。
[0105]
可以发现,连续电解3000小时后,其过电位升幅为4.4%,表明本发明的氧化铱

铂复合纳米催化剂ⅰ具有优良的使用寿命,能够满足实际生产的要求。
[0106]
以上结合具体实施方式和/或范例性实例以及附图对本发明进行了详细说明,不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解,在不偏离本发明精神和范围的情况下,可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进,这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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