一种可负载型IrRu合金纳米片催化剂及其制备方法

本发明属于纳米材料电催化，具体涉及一种可负载型irru合金纳米片催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、全球能源危机、环境污染和气候变化严重影响人类社会的可持续发展。开发并利用绿色、高效的清洁能源是缓解以上问题的有效途径。氢，作为新一代最具发展潜力的清洁能源之一，可以通过电化学的方法以环保、高纯的方式生产。其中，质子交换膜(pem)电解水制氢技术的运行电流密度高、能耗低、产氢压力高，适应可再生能源发电的波动性特征、易于与可再生能源消纳相结合，是电解水制氢的一项适宜方案。pem电解水主要包括两个半反应：阳极析氧反应(oer)和阴极析氢反应(her)。酸性介质中，阴极两电子途径的her过程较容易，所需的pt催化剂可降至0.1mg/cm2以下。而阳极oer涉及多步质子和电子转移，其缓慢的动力学导致pem电解水的主要效率损失(过电位>1.5v，理论最小值为1.23v)，加之阳极催化剂在酸性和高氧化环境下的快速降解也严重阻碍pem电解水技术的发展。因此，开发酸性条件下的高效、耐用的oer催化剂以降低过电位，使制氢过程更节能成为电解水技术领域中的一个研究难点。

2、目前，在酸性介质中具有良好oer催化性能的是ru基和ir基材料。ru的催化活性较高，ir通常表现出较好的催化稳定性。基于ir和ru两金属的优点，设计制备具有高催化活性及稳定性的irru合金催化剂成为近年来发展电解水技术的研究热点。考虑到ir和ru都是贵金属，在地壳中储量稀少，导致催化剂成本偏高，阻碍irru催化剂规模化制备及应用。为此，设计开发尺寸小、比表面积大的irru合金催化剂，是降低催化剂成本的有效途径。

3、具有超薄二维结构的催化材料能够表现出更大的比表面积和更丰富的活性位点，已被证明是设计先进催化剂的理想结构。但由于贵金属固有的原子密排结构性质，导致ir、ru等金属很难形成超薄的二维合金材料。加之，超薄的二维纳米材料表面能过高，容易在制备过程中发生团聚，导致活性位点覆盖。因此，控制合成具有良好分散性的超薄二维irru合金纳米材料是实现高性能oer催化剂的有效途径。

技术实现思路

1、为此，本发明意在提供一种可负载型irru合金纳米片催化剂及其制备方法。

2、其中一方面，本发明提供一种可负载型irru合金纳米片催化剂，该催化剂包括载体和负载于载体上的irru合金纳米片，irru合金纳米片的厚度为0.6～1.5nm，irru合金纳米片中ir和ru的摩尔比为9:1～3:1。

3、可以理解的是，irru合金纳米片的厚度为0.6～1.5nm范围即意味着irru合金纳米片的厚度尺寸已达纳米级和/或亚纳米级。

4、进一步地，上述载体可为一维pd纳米线、一维au纳米线、一维ag纳米线或一维碳纤维，以及二维石墨烯等。

5、另一方面，本发明继而提供一种用于制备上述可负载型irru合金纳米片催化剂的制备方法，其步骤具体如下：

6、(1)制备金属前驱体溶液

7、将水合氯化铱ircl3·xh2o、三氯化钌rucl3及还原剂溶于有机溶剂中以制备金属前驱体溶液；

8、(2)制备载体溶液

9、将载体溶于有机溶剂中以制备载体溶液；

10、(3)制备可负载型irru合金纳米片催化剂

11、将步骤(1)中制备的金属前驱体溶液与步骤(2)中制备的载体溶液以体积比为1:10～10:1的比例相混合形成混合溶液，常温下搅拌混合溶液1～24h；随后，将搅拌好的混合溶液移入反应容器中，在60～200℃反应温度的加热下继续搅拌1～24h，然后停止加热搅拌，待混合溶液冷却至室温后再将其经过4000～9000r/min的离心处理5min，然后用乙醇溶液清洗两次，即可获得可负载型irru合金纳米片催化剂；

12、其中，水合氯化铱ircl3·xh2o、三氯化钌rucl3、还原剂和载体的体积摩尔浓度比为1-100:1-100:1-100:1-100。

13、上述体积摩尔浓度比为1-100:1-100:1-100:1-100可以如此理解，例如，当水合氯化铱ircl3·xh2o的体积摩尔浓度被选定为1-100mm范围的任意数值时，三氯化钌rucl3、还原剂和载体的体积摩尔浓度亦应在1-100mm范围选定。

14、上述步骤(1)中的还原剂为柠檬酸、抗坏血酸、羰基钼、葡萄糖中的至少一种，和/或，上述步骤(2)中的载体为一维pd纳米线、一维au纳米线、一维ag纳米线、一维碳纤维以及二维石墨烯中的一种，和/或，上述步骤(1)和(2)中的有机溶剂为苯甲醇、乙醇、乙二醇、乙二醛、油胺中的至少一种。

15、上述步骤(1)和(2)中，均可通过超声分散以促进溶解。

16、上述步骤(3)中，反应容器可选用厚壁耐压反应瓶。

17、尤其需要说明的是，上述步骤(3)中，在加热搅拌的反应条件下，irru合金纳米片能于载体表面进行可控生长。

18、进一步地，本发明提供一种上述可负载型irru合金纳米片催化剂在电催化析氧反应中的应用。经试验，其在酸性和碱性电解液中分别表现出优异的电催化析氧反应(oer)性能。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、(1)本发明制得的可负载型irru合金纳米片催化剂具有良好的分散性和超薄(纳米和/或亚纳米)尺寸厚度，有效地提高了贵金属的利用率，显著降低了催化剂的成本。

21、(2)本发明的该种制备方法，工艺简单，普适性好，可根据应用类型的需求，选择具有针对性的载体进行负载生长，使催化剂具有更广阔的适用范围。

技术特征：

1.一种可负载型irru合金纳米片催化剂，其特征在于：所述催化剂包括载体和负载于所述载体上的irru合金纳米片，所述irru合金纳米片的厚度为0.6～1.5nm，且所述irru合金纳米片中ir和ru的摩尔比为9:1～3:1。

2.根据权利要求1所述的可负载型irru合金纳米片催化剂，其特征在于，所述载体为一维pd纳米线、一维au纳米线、一维ag纳米线、一维碳纤维或二维石墨烯。

3.一种用于制备根据权利要求1或2所述的可负载型irru合金纳米片催化剂的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的可负载型irru合金纳米片催化剂，其特征在于，上述步骤(1)中，所述还原剂为柠檬酸、抗坏血酸、羰基钼或葡萄糖。

5.根据权利要求3所述的可负载型irru合金纳米片催化剂，其特征在于，上述步骤(2)中，所述载体为一维pd纳米线、一维au纳米线、一维ag纳米线、一维碳纤维或二维石墨烯。

6.根据权利要求3所述的可负载型irru合金纳米片催化剂，其特征在于，上述步骤(1)和(2)中，所述有机溶剂为苯甲醇、乙醇、乙二醇、乙二醛或油胺。

7.根据权利要求3-6中任意一项所述的可负载型irru合金纳米片催化剂，其特征在于，上述步骤(1)和(2)中，制备时通过超声分散以促进溶解。

8.根据权利要求3-6中任意一项所述的可负载型irru合金纳米片催化剂，其特征在于，上述步骤(3)中，所述反应容器选用厚壁耐压反应瓶。

9.权利要求1或2所述的可负载型irru合金纳米片催化剂或权利要求3-8中任意一项所述的制备方法所制备的可负载型irru合金纳米片催化剂在电催化析氧反应中的应用。

技术总结
本发明公开了一种可负载型IrRu合金纳米片催化剂及其制备方法，该IrRu合金纳米片具有纳米和/或亚纳米尺寸厚度；该制备方法，工艺简单，普适性好，可根据催化剂应用类型的需求选择针对性载体，将水合物氯化铱和三氯化钌的金属前驱体、还原剂及载体于有机溶剂中充分混合，在加热搅拌的反应条件下，IrRu合金纳米片可于载体表面进行可控生长。该催化剂在酸性和碱性电解液中分别表现出优异的电催化析氧反应(OER)性能。

技术研发人员：郭少军,陶璐
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12