一种具有负载结构的IrO2催化剂的制备方法及其应用与流程

一种具有负载结构的iro2催化剂的制备方法及其应用
技术领域
1.本发明涉及水电解催化剂技术领域，具体而言涉及一种具有负载结构的iro2催化剂的制备方法及其应用。


背景技术：

2.近来，对新能源和可再生能源的需求迅速增加，相关的研究成为研究热点。关于新能源和可再生能源，如太阳能、风能和潮汐能，研究和开发利用剩余电能在水电解堆中生产氢气，产生的氢气被储存起来，然后提供给燃料电池，并在需要作为能源时使用，逐渐被人为是一种新的能源储存形式。
3.在各种制氢方法中，水电解技术主要分为碱性水电解固体氧化物电解和聚合物电解质膜水电解。其中，聚合物电解质膜水电解(以下简称pem水电解)技术不需要使用腐蚀性溶液，因此不会发生产生的气体的混合，并且由于水是唯一的循环液体，因此不会引起诸如腐蚀等问题，生产过程中不产生环境污染，产生的氢气被称为绿氢。
4.pem水电解中的一个重要组分是膜电极组件(mea)，开发氧气放出反应(oer)催化剂是必不可少的。特别是在水电解反应中，电解效率的降低受到过高氧过电位的影响，已经有众多研究针对参与产氧反应中过电位降低的催化剂展开。
5.氧化铱(iro2)和氧化钌(ruo2)是两种代表性的oer催化剂，但是这些催化剂相当于昂贵的贵金属催化剂。特别是氧化钌在初始状态下表现出优异的催化活性，但是由于其低稳定性而很难长期使用。越来越需要一种用于制备具有新结构的催化剂的技术，以便同时表现出优异的电化学活性和耐久性。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有负载结构的iro2催化剂的制备方法及其应用，提高了贵金属的催化效率，获得更稳定的催化性能；上述iro2催化剂可用于pem水电解的催化剂。
7.本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种具有负载结构的iro2催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
8.1)分散g-c3n4：在有机溶剂中制备g-c3n4溶液；
9.2)将铱(ir)前体水溶液加入到步骤1)制备的氮化碳溶液中，得到混合溶液；
10.3)将步骤2)制备得到的混合溶液的酸度调节到碱性区域后，搅拌沉淀；
11.4)将步骤3)得到的沉淀置于马弗炉烧结，形成iro2/g-c3n4复合纳米粒子。
12.进一步地，所述步骤1)中，所述有机溶剂选用乙醇、乙二醇、二甲基甲酰胺中的任意一种或其混合物。
13.进一步地，所述步骤2)中，所述铱前体选自氯铱酸、氟化铱、氯化铱、溴化铱、碘化铱、乙酸铱、乙酰丙酮铱、硝酸铱及其水合物中的一种或多种。
14.进一步地，所述步骤3)中，所述酸度调节具体为通过将混合溶液的ph调节至9～11
来执行将酸度调节至碱性区域的步骤。
15.进一步地，所述步骤3)中，搅拌沉淀后，还包括沉淀的离心和洗涤步骤以及进一步的干燥；所述干燥步骤在70～90℃下进行。
16.进一步地，所述步骤4)中，烧结具体为，在500～550℃下进行1～3h有氧烧结，升温速度为5℃/min，烧结后随炉冷却。
17.进一步地，所述步骤4)中，所述iro2/g-c3n4复合纳米粒子中，包括g-c3n4载体以及位于所述g-c3n4载体表面上的铱和/或氧化铱纳米颗粒；
18.更进一步地，所述铱和氧化铱纳米颗粒的尺寸为1nm～3nm。
19.更进一步地，所述步骤4)中，所述iro2/g-c3n4复合纳米粒子中，铱和/或氧化铱纳米颗粒占所述复合纳米粒子总量的10wt％～40wt％。
20.一种具有负载结构的iro2催化剂的应用，所述iro2催化剂可用于pem水电解中。
21.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的一种具有负载结构的iro2催化剂的制备方法中，引入了片层状g-c3n4作为氧化铱载体，一方面有效提高了催化剂电子传导能力，使得氧化物催化剂导电性提高；此外，打底液中的二维层状g-c3n4极大的增加催化剂的附着面积，从而增大了有效催化活性面积，提高电极的催化活性。
附图说明
22.图1为本发明通过热分解法制备的g-c3n4的x射线电子衍射图。
23.图2为本发明实施例1制备的催化剂的扫描电子显微镜图。
24.图3为本发明对比例1制备的催化剂的扫描电子显微镜图。
25.图4为利用实施例1与对比例1所制得的电催化剂的电催化性能图。
具体实施方式
26.下面通过具体实施例来进一步说明本发明。但这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
27.实施例1
28.本实施例中提供的一种具有负载结构的iro2催化剂的制备方法，铱和/或氧化铱纳米颗粒以g-c3n4为负载，并形成纳米ir晶簇，具体制备步骤如下：
29.s1、制备g-c3n4:称取一定量的尿素置于坩埚中，放入马弗炉，以5℃/min的升温速度升温至600℃，保温2h，随炉冷却后得到所需的g-c3n4；
30.s2、配制g-c3n4分散液：准确称取50mg g-c3n4溶解于2.5ml乙二醇与2.5mldmf溶液中，常温下搅拌至完全溶解形成分散液，保存待用；
31.s3、配制混合溶液：准确称取一定量的氯铱酸溶解于5ml水溶液中，在室温下搅拌均匀，得到含铱水溶液，将分散液逐滴均匀加入含铱水溶液中，得到混合溶液；
32.s4、调节ph：在混合溶液中逐滴加入0.1m koh溶液，并在45℃下搅拌，直至ph调节至9～11；继续搅拌直至沉淀产生，收集沉淀，进行离心、清洗，置于80℃烘箱中烘干；
33.s5、将烘干后的粉末置于坩埚中，放入马弗炉中烧结，烧结温度在500～550℃，升温速度为5℃/min，保温2h后随炉冷却，得到iro2/g-c3n4纳米复合催化剂。
34.对比例1
35.本对比例中提供了一种复合纳米催化剂的制备方法，具体制备步骤如下：
36.s1、配制溶液：准确称取一定量的氯铱酸溶解于5ml水溶液中，在室温下搅拌均匀，得到混合溶液；
37.s2、调节ph：在混合溶液中逐滴加入0.1m koh溶液，并在45℃下搅拌，直至ph调节至9～11；继续搅拌直至沉淀产生，收集沉淀，进行离心、清洗，置于80℃烘箱中烘干；
38.s3、将所得粉末置于坩埚中，放入马弗炉中烧结，烧结温度在500～550℃，升温速度为5℃/min，保温2h后随炉冷却，得到iro2纳米催化剂。
39.性能测试：
40.在电解液为0.5mol/l的h2so4，ag/agcl电极为参比电极，pt电极为对电极，实施例1与对比例1所提供的制备方法制得的催化剂分别负载在玻碳电极上作为工作电极，三电极体系下在电化学工作站对样品的电催化性能进行测试。如图4所示，在相同氧化铱条件下，达到20ma/cm2电流密度所需的过电压低于纯氧化铱负载，这表明g-c3n4作为载体对催化性能具有提升作用。
41.综上所述，本发明采用了热解法制备的g-c3n4用于氧化铱催化剂的导电载体。g-c3n4具有类似石墨的层状结构,热稳定性和化学稳定性良好，并且无毒、来源丰富、制备成型工艺也简单。采用这类二维层状结构作为载体可以有效提高催化剂的比表面积，从而优化iro2的催化性能。
42.以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。