一种过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及电解水催化剂，特别涉及一种过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着化石燃料资源逐渐枯竭和环境污染问题日益严重，氢能因具有清洁、高效、稳定、可再生等特点而受到了高度关注。通过电解水来制备氢气是可再生能源的重要发展方向之一，也是最为常见的制备氢气的方法。在电解水中，目前电解水制氢工艺装置主要为碱性电解槽(aem)和质子交换膜电解槽(pem)，其中，pem技术通过将电能转化为化学能来储存间歇性可再生能源，而且区别于aem技术，pem水电解制氢具有反应快、功率密度高、运行灵活和效率高，以及与风电、光伏具有良好的匹配性等诸多优点，基于此，基于pem的水电解技术被认为是氢能得以有效利用的关键技术。

2、电解水反应包括阳极的析氧反应(oer)和阴极的析氢反应(her)。从动力学角度来看，阳极oer是一个四电子质子耦合反应，需要较高过电位，导致阴极半反应中氢气的析出效率低，这是质子交换膜水电解槽阳极反应占性能损失的主要部分。提升催化剂的oer催化性能对于电催化分解水具有重要意义。

3、目前应用在质子交换膜上的电解水催化剂材料中只有氧化铱(iro2)和氧化钌显示出满意的活性和稳定性，氧化铱活性相比于氧化钌稍差，但表现出不错的稳定性，在阳极高酸性条件下能抵制溶解和浸出，因此，氧化铱是主要的催化剂材料。传统商业化氧化铱呈现小颗粒，其比表面积小，反应易团聚，通过亚当斯熔融法可以制备得到比表面积大、呈现片状的氧化铱，这对于提升反应活性面积和产物的脱附是有利的；但是，铱(ir)为贵金属催化剂，成本高、资源稀缺、限制了其在商业的广泛应用。通过引入非贵金属掺杂可以降低成本，然而析氧活性及稳定性有待提高，不能满足实际生产的需求。

4、针对目前电解水阳极氧化铱催化剂结构及其制备方法存在的不足，对氧化铱结构进行改性，提升其催化活性并维持稳定性对于质子交换膜电解槽的广泛应用显得尤为重要。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中的问题，本发明提供了一种过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂及其制备方法，并提供了该过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂在电解水领域的应用，以解决或至少缓解现有技术中的部分或全部技术问题。

2、为实现上述目的，本发明具体通过以下技术方案实现：

3、本发明第一方面提供了一种过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将铱前驱体、过渡金属前驱体、硝酸钠和分散剂混合，球磨制成浆料，其中，过渡金属为co、ni和mn中的一种或多种，所述铱前驱体与所述过渡金属前驱体的摩尔比为5：0.5-4；

5、s2、干燥所述浆料；

6、s3、于空气氛围下，煅烧所述浆料；

7、s4、纯化所述煅烧后的产物，得到过渡金属掺杂改性片状氧化铱。

8、进一步地，所述铱前驱体与所述过渡金属前驱体的摩尔比为5：0.5-2；更进一步地，所述铱前驱体与所述过渡金属前驱体的摩尔比为5：1。

9、进一步地，所述过渡金属为mn。

10、进一步地，步骤s1中，球磨制成浆料包括以下步骤：在转速为180rpm/min条件下，逆时针方向旋转30min后停留5min，然后顺时针旋转30min，重复10次，得到前驱体充分混合的浆料。

11、进一步地，步骤s2中，干燥所述浆料包括以下步骤：在20min内将所述浆料从室温升温至60-90℃，保温3-8h，得到浅褐色粉末。

12、进一步地，步骤s3中，煅烧所述浆料包括以下步骤：以1-4℃/min升温速率升温至280-350℃后保温1-3h后降温。

13、进一步地，步骤s4中，纯化所述煅烧后的产物包括以下步骤：用去离子水浸泡所述煅烧后的产物0.5-4h，之后抽滤，残留物烘干，即得到过渡金属掺杂改性片状氧化铱。

14、本发明第二方面提供了如上所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法制备得到的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂。

15、本发明第三方面提供了如上所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂或如上所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法在电解水中的应用。

16、本发明的优点及积极效果为：

17、1、本发明以硝酸钠作为模板剂、氧化剂和致孔剂，促使氧化铱形成纳米尺度和微米尺度的片状多孔结构，并通过球磨和高温煅烧，将过渡金属掺杂进氧化铱中，过渡金属能有效地调节氧化铱中金属铱和氧的键能强度，调节铱的外层电子结构，因此，制备得到了具有更高比表面积和更多活性面积的电催化剂，其在酸性环境中析氧反应活跃，能很好地降低酸性环境电解水制氢的槽电压，且具有优良的稳定性。此外，贵金属含量相比于商业氧化铱有明显降低，相比于片状纯氧化铱和商业块状氧化铱在降低贵金属ir含量的同时能够提高电催化活性、稳定性和耐久性，显著降低了催化剂的使用成本问题。

18、2、本发明的制备方法制备过程简单，环保节能，可推广应用。

技术特征：

1.一种过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，所述铱前驱体与所述过渡金属前驱体的摩尔比为5：0.5-2。

3.根据权利要求2所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，所述铱前驱体与所述过渡金属前驱体的摩尔比为5：1。

4.根据权利要求1-3任一项所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，所述过渡金属为mn。

5.根据权利要求1所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，球磨制成浆料包括以下步骤：在转速为180rpm/min条件下，逆时针方向旋转30min后停留5min，然后顺时针旋转30min，重复10次，得到前驱体充分混合的浆料。

6.根据权利要求1所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s2中，干燥所述浆料包括以下步骤：在20min内将所述浆料从室温升温至60-90℃，保温3-8h，得到浅褐色粉末。

7.根据权利要求1所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s3中，煅烧所述浆料包括以下步骤：以1-4℃/min升温速率升温至280-350℃后保温1-3h后降温。

8.根据权利要求1所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s4中，纯化所述煅烧后的产物包括以下步骤：用去离子水浸泡所述煅烧后的产物0.5-4h，之后抽滤，残留物烘干，即得到所述过渡金属掺杂改性片状氧化铱。

9.一种过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂，其特征在于，由如权利要求1-8任一项所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂的制备方法制备得到。

10.如权利要求9所述的过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂在电解水中的应用。

技术总结
本发明属于电解水催化剂技术领域，尤其涉及一种过渡金属掺杂改性片状氧化铱催化剂及其制备方法和应用。制备方法包括以下步骤：S1、将铱前驱体、过渡金属前驱体、硝酸钠和分散剂混合，球磨制成浆料，过渡金属为Co、Ni和Mn中的一种或多种，铱前驱体与过渡金属前驱体的摩尔比为5：0.5‑4；S2、干燥浆料；S3、于空气氛围下，煅烧浆料；S4、纯化煅烧后的产物，得到过渡金属掺杂改性片状氧化铱。本发明提供的方法可以得到具有更高比表面积和更多活性面积的催化剂，其在酸性环境中析氧反应活跃，能很好地降低电解水制氢的槽电压，在降低贵金属Ir含量的同时能够提高电催化活性、稳定性和耐久性，显著降低催化剂的使用成本问题。

技术研发人员：杨泽惠,谢玉华,李庆
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13