IrOX@ATO纳米纤维及其制备方法与在电解质膜除湿器中的应用

本发明涉及电催化功能材料，尤其涉及一种用于电解除湿的irox@ato纳米纤维及其制备方法与在电解质膜除湿器中的应用。

背景技术：

1、在现代生活生产中，为提高产品的质量，降低不良品率，需要严格精确地把控湿度。而传统的除湿方法，如转轮除湿、膜法除湿和冷却除湿等都普遍存在设备复杂、热惯性大等问题。而与之相比，电解质膜除湿器设备结构简单，环保友好，具有较宽的可操作温湿度，并能实现高精确除湿、小空间除湿。这些优势使得质子交换膜空气除湿成为未来极具发展前景的除湿方式。电解质膜除湿器阳极发生的是析氧反应，该反应具有较高的过电位和缓慢的动力学，且空气除湿器阳极的反应物为空气中的水蒸气而不是液态水，这对阳极析氧催化剂热稳定性、电化学稳定性、电化学活性要求更高。

2、贵金属氧化物iro2具有较高的析氧活性，在酸性环境中具有强抗腐蚀性，这些优点都使得iro2在酸性条件下能够稳定、高效地催化析氧，适用于酸性电解水槽以及空气除湿器。然而，目前合成的iro2催化剂一般为随机分散的形态，在制备过程中容易发生团聚，非常不利于暴露催化剂的活性位点，阻碍反应物与内部活性位点的有效接触，最终导致催化性能快速衰减。

3、氧化锑锡(ato)具有高导电性和分散性，是常用的催化剂载体。v.k.puthiyapura等，journal of power sources，269(2014)，第451-460页描述了通过adams熔合法制备ato负载的iro2催化剂，克服了论述中的iro2催化剂活性低和稳定性差问题，所使用的ato作为载体材料能够增加催化活性相的比表面积，改善电极在酸性介质中的耐腐蚀性能，有效提高iro2催化剂的电子导电性和电化学循环稳定性。中国专利文献cn109906287b通过湿化学合成法合成了被贵金属氧化物涂覆的氧化锡颗粒，该颗粒具有较高的bet表面积为(5-95m2/g)和电导率(7s/cm)。中国专利文献cn114072939a利用湿化学合成法将含铱固体沉积在氧化锡载体上，经热处理得到一种催化剂-载体组合物。催化剂和载体材料的有效结合不仅能够减少贵金属的用量，在催化剂-载体界面处还会形成强烈的相互作用，进而大幅提高催化剂的性能。

4、然而，上述方法合成的催化剂为颗粒状，颗粒状催化剂在工作过程中，由于具有较大的表面能会使得其更加容易团聚，最终导致性能的快速衰减。

5、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种一维结构irox@ato纳米纤维催化剂，该催化剂能够在酸性条件下高效快速地催化析氧反应，该催化剂具有良好的导电性、催化活性和电化学稳定性，旨在解决现有方法合成的催化剂为颗粒状，容易团聚，导致催化活性低的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的第一方面，提供一种基于同轴静电纺丝工艺制备irox@ato纳米纤维的方法，其中，所述irox@ato纳米纤维包括ato载体和负载于所述ato载体上的irox纳米颗粒，所述irox和ato之间存在着异质结结构，所述irox@ato纳米纤维为一维结构；其中，0＜x≤2；

4、所述irox@ato纳米纤维的制备方法包括步骤：

5、取三氯化铱水合物和易纺丝的聚合物于第一溶剂中，得到第一静电纺丝溶液；

6、取三氯化锑、氯化亚锡和易纺丝的聚合物于第二溶剂中，得到第二静电纺丝溶液；

7、将所述第一静电纺丝溶液转移至第一注射器中，并通入同轴结构针头外轴处；将所述第二静电纺丝溶液转移至第二注射器中，并通入同轴结构针头内轴处；经静电纺丝，得到聚合物-(ircl3-sncl2/sbcl3)纤维膜；

8、将所述聚合物-(ircl3-sncl2/sbcl3)纤维膜进行高温煅烧，得到所述irox@ato纳米纤维。

9、可选地，所述静电纺丝是指静电电压为15～25kv，静电纺丝设备的注射器出口端与接收基板之间的距离为13～18cm，静电纺丝外轴溶液的推进速度为0.04～0.15mm/min，静电纺丝内轴溶液的推进速度为0.04～0.1mm/min，滚筒转速为50～200rpm，环境温度为15～30℃，环境湿度为20％～60％rh条件下的静电纺丝。

10、可选地，所述高温煅烧为在空气氛围下进行程序升温，然后自然降温；其中，所述程序升温条件为：室温条件下，以0.5～5℃/min速率升温至220～300℃，保温0.5～2h；然后再以0.5～5℃/min速率升温至450～650℃，保温0.5～4h。

11、可选地，所述易纺丝的聚合物为聚丙烯腈或聚乙烯吡咯烷酮，所述第一溶剂和第二溶剂独立地选自n,n-二甲基甲酰胺、丙酮、无水乙醇、四氢呋喃中的任意一种。

12、可选地，所述第一静电纺丝溶液中三氯化铱的质量分数为8％～15％，所述第二静电纺丝溶液中三氯化锑和氯化亚锡的总质量分数为8％～15％。

13、可选地，所述同轴结构针头中外轴针头内径为0.41～1.69mm。

14、本发明的第二方面，提供一种irox@ato纳米纤维，其中，所述irox@ato纳米纤维采用本发明所述的基于同轴静电纺丝工艺制备irox@ato纳米纤维的方法制得；

15、和/或，所述irox@ato纳米纤维包括ato载体和负载于所述ato载体上的irox纳米颗粒，所述irox和ato之间存在着异质结结构，所述irox@ato纳米纤维为一维结构。

16、可选地，所述irox与ato的质量比为0.05～0.5。

17、可选地，所述irox@ato纳米纤维的直径为150～200nm。

18、本发明的第三方面，提供一种本发明所述的irox@ato纳米纤维作为催化剂在电解水析氧反应或电解质膜除湿器中的应用。

19、有益效果：

20、(1)本发明中选用高活性铱金属作为活性中心，首先将易纺丝的聚合物加入到溶剂中，获得均一的静电纺丝溶液，然后采用同轴静电纺丝技术得到有机纤维膜，最后在空气中高温处理得到一维结构irox@ato纳米纤维。本发明一维结构irox@ato纳米纤维的制备方法简单，原料易得，成本低廉。

21、(2)本发明的一维结构irox@ato纳米纤维催化剂，与单纯的iro2催化剂相比，可有效解决单一iro2颗粒的团聚、比表面积低和析氧催化性能差的问题，制备的irox@ato纳米纤维具有一维线状结构，有利于充分暴露催化活性位点，从而大大提高析氧反应效率。irox@ato纳米纤维具有大量的异质结界面，使得酸性电催化分解水产氧的性能显著提高。irox@ato纳米纤维催化剂还可以应用于新型电解质膜除湿系统，该催化剂独特的结构既能暴露更多的电催化析氧反应活性位点，又能持续稳定高效析氧，这使得电解除湿效率显著提高。

技术特征：

1.一种基于同轴静电纺丝工艺制备irox@ato纳米纤维的方法，其特征在于，所述irox@ato纳米纤维包括ato载体和负载于所述ato载体上的irox纳米颗粒，所述irox和ato之间存在着异质结结构，所述irox@ato纳米纤维为一维结构；其中，0＜x≤2；

2.根据权利要求1所述的基于同轴静电纺丝工艺制备irox@ato纳米纤维的方法，其特征在于，所述静电纺丝是指静电电压为15～25kv，静电纺丝设备的注射器出口端与接收基板之间的距离为13～18cm，静电纺丝外轴溶液的推进速度为0.04～0.15mm/min，静电纺丝内轴溶液的推进速度为0.04～0.1mm/min，滚筒转速为50～200rpm，环境温度为15～30℃，环境湿度为20％～60％rh条件下的静电纺丝。

3.根据权利要求1所述的基于同轴静电纺丝工艺制备irox@ato纳米纤维的方法，其特征在于，所述高温煅烧为在空气氛围下进行程序升温，然后自然降温；其中，所述程序升温条件为：室温条件下，以0.5～5℃/min速率升温至220～300℃，保温0.5～2h；然后再以0.5～5℃/min速率升温至450～650℃，保温0.5～4h。

4.根据权利要求1所述的基于同轴静电纺丝工艺制备irox@ato纳米纤维的方法，其特征在于，所述易纺丝的聚合物为聚丙烯腈或聚乙烯吡咯烷酮，所述第一溶剂和第二溶剂独立地选自n,n-二甲基甲酰胺、丙酮、无水乙醇、四氢呋喃中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的基于同轴静电纺丝工艺制备irox@ato纳米纤维的方法，其特征在于，所述第一静电纺丝溶液中三氯化铱的质量分数为8％～15％，所述第二静电纺丝溶液中三氯化锑和氯化亚锡的总质量分数为8％～15％。

6.根据权利要求1所述的基于同轴静电纺丝工艺制备irox@ato纳米纤维的方法，其特征在于，所述同轴结构针头中外轴针头内径为0.41～1.69mm。

7.一种irox@ato纳米纤维，其特征在于，所述irox@ato纳米纤维采用权利要求1～6任一项所述的基于同轴静电纺丝工艺制备irox@ato纳米纤维的方法制得；

8.根据权利要求7所述的irox@ato纳米纤维，其特征在于，所述irox与ato的质量比为0.05～0.5。

9.根据权利要求7所述的irox@ato纳米纤维，其特征在于，所述irox@ato纳米纤维的直径为150～200nm。

10.一种权利要求7～9任一项所述的irox@ato纳米纤维作为催化剂在电解水析氧反应或电解质膜除湿器中的应用。

技术总结
本发明属于电催化功能材料技术领域，本发明公开了一种IrO<subgt;X</subgt;@ATO纳米纤维及其制备方法与在电解质膜除湿器中的应用。该方法包括配制含IrCl<subgt;3</subgt;·xH<subgt;2</subgt;O和聚合物的溶液和含SnCl<subgt;2</subgt;·2H<subgt;2</subgt;O、SbCl<subgt;3</subgt;和聚合物的溶液，将两种溶液分别转移至注射器中，利用具有同轴结构针头的静电纺丝设备进行纺丝得到有机纤维膜，经高温热解处理得到IrO<subgt;X</subgt;均匀负载于ATO上的一维结构IrO<subgt;X</subgt;@ATO纳米纤维。本发明将高活性的贵金属氧化物纳米颗粒负载于高导电型、高比表面积的氧化物载体表面，该催化剂具有大量的异质结界面，使得酸性电催化分解水蒸气的性能显著提高。该催化剂还可应用于电解质膜除湿器中，该催化剂独特的结构既能暴露更多的电催化析氧反应活性位点，又能持续稳定高效析氧，使得电解除湿效率显著提高。

技术研发人员：綦戎辉,卢影
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13