催化剂及其制备方法、水电解装置

本申请属于电化学催化剂，具体涉及催化剂及其制备方法、水电解装置。

背景技术：

1、催化剂是用来加快化学反应速率的材料，催化剂中一般含有载体和活性材料，其中活性材料起催化作用，载体起负载活性材料的作用。以电解水所需催化剂为例，电解水主要分为两个部分：阳极析氧反应(oer)和阴极析氢反应(her)。其中，her为比较简单的2电子反应，目前析氢催化剂相对成熟。然而，oer是比较复杂的4电子-质子耦合反应，反应动力学缓慢，需要在高电位环境还有强碱性或强酸性环境中，所以催化剂容易被氧化。目前酸性商用的铱基oer催化剂依旧需要很大的反应过电位，在10ma/cm2电流下需要超过300mv的电势，这意味着电解水反应需要较高的反应驱动力。因此，oer对催化剂的活性和稳定性要求非常高，析氧催化剂成为了制约电解水制氢发展的主要瓶颈。

2、析氧催化剂中活性材料的催化活性一般通过反应过电位来体现，一般来说反应过电位越低，催化活性越好。oer催化剂中的活性材料常见的有iro2、ru和ruo2。其中，iro2的活性和稳定性最好，但是iro2的产量低，价格昂贵；ru和ruo2产量高，价格低，oer的活性最强，但稳定性差，催化时会逐渐氧化为高价态的钌ruo4，它易溶解在溶液中。另外，ruo2虽然具有活性，但在酸性oer中，晶格氧会参与反应而脱出，导致结构坍塌而失活。

3、此外，oer催化剂中还需要负载活性材料的载体，载体一般选用导电性好的碳材料，如目前公开的主要集中在石墨烯、石墨、碳纳米管、介孔碳等碳材料方面，然而石墨烯、石墨等碳材料在高电位下容易氧化成二氧化碳，尤其在酸性oer中会很快氧化，导致载体损失，继而影响催化剂的催化效果。因此现有的电解水催化剂存在稳定性差(使用寿命短)、活性差(催化效果差)的问题，需要高效稳定的催化剂来加快电解水催化反应，提高电解水的效率。

技术实现思路

1、本申请的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种催化剂及其制备方法、水电解装置，以解决现有电解水催化剂稳定性差、活性差的问题。

2、为了实现上述申请目的，本申请第一方面，提供了一种催化剂。本申请催化剂包括载体和活性材料，载体负载活性材料，载体包括硼碳氮化合物，活性材料包括钌金属。

3、本申请催化剂中，载体为硼碳氮化合物，相比碳材料极大提高了载体的抗氧化性和化学稳定性；此外，硼碳氮化合物亲水性更高，有利于活性材料与反应物接触，提高催化效果。更重要的是载体中电负性高的原子吸引更多的外层电子而成负化合价，这些负化合价原子成为一个个活性位点吸附活性材料并有助于活性材料保持低价态，使其不易被氧化而失活，因此载体能够对活性材料起到活性的增效作用，提高了活性材料的稳定性以及活性。因此提高了催化剂的稳定性和活性。

4、一些实施例中，硼碳氮化合物中硼元素：碳元素：氮元素的摩尔比为(2～20)：(30～60)：(30～60)。

5、一些实施例中，钌金属形貌为纳米颗粒结构，其粒径为0.1nm～20nm。

6、一些实施例中，活性材料占催化剂的质量百分含量为5wt％～70wt％。

7、本申请第二方面，提供了一种催化剂的制备方法。本申请制备方法包括如下步骤：

8、将硼源、碳源和氮源按一定比例进行第一混合处理，得到第一混合物；

9、将第一混合物与活性材料源进行第二混合处理，得到第二混合物；

10、在惰性气氛下，将第二混合物进行烧结处理，得到催化剂。

11、本申请催化剂制备方法能够将活性材料与载体一体烧结形成。制备过程中中，呈负化合价的n活性位点可以紧密吸附活性材料源中的活性离子(ru3+)，使得活性材料原位生长在载体上，提高了结合强度和增效作用；此外，载体中负化合价的氮原子能够对活性材料起到锚定作用，使得活性材料不易被氧化而失活，提高了活性材料的稳定性和活性。因此，制得的催化剂化学稳定性好、活性强、催化效率高。另外，本申请催化剂制备方法工艺参数可控，催化剂的催化性能稳定。

12、一些实施例中，第一混合处理包括如下步骤：

13、将硼源、碳源和氮源分散在溶剂中，配制成混合溶液；

14、将混合溶液进行干燥处理，得到第一混合物。

15、一些实施例中，干燥处理包括先在50℃～80℃进行旋蒸处理，再进行冷冻干燥处理。

16、一些实施例中，第二混合处理包括将第一混合物与活性材料源进行研磨处理。

17、一些实施例中，烧结处理包括先在200℃～400℃进行第一烧结处理，再在500℃～600℃进行第二烧结处理。

18、一些实施例中，硼源包括硼酸、三氧化二硼、硼烷中的至少一种。

19、一些实施例中，碳源包括三聚氰胺、葡萄糖、苯胺中的至少一种。

20、一些实施例中，氮源包括三聚氰胺、尿素中的至少一种

21、一些实施例中，硼源、碳源、氮源是按照质量比(2～20)：(30～60)：(30～60)进行第一混合处理。

22、一些实施例中，活性材料源包括氯化钌、硝酸钌、乙酰丙酮钌、六氯钌酸铵中的至少一种。

23、一些实施例中，第一混合物与活性材料源按质量比(1～10)：(1～10)进行第二混合处理。

24、本申请第三方面，提供了一种水电解装置。本申请水电解装置包括催化剂，催化剂包括上文本申请催化剂或包括由本申请制备方法制备的催化剂。

25、本申请水电解装置中因含有上文本申请催化剂，赋予了催化剂抗氧化性好、反应过电位低、稳定性和活性好的性质。不仅可以作为析氢催化剂，而且还可以用于高电位的oer中作为析氧催化剂，在碱性或强腐蚀的酸性环境下都能有较好的稳定性和活性。从而本申请水电解装置电解效率高、寿命长。

技术特征：

1.一种催化剂，包括载体和活性材料，所述载体负载所述活性材料，其特征在于：所述载体包括硼碳氮化合物，所述活性材料包括钌金属。

2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述硼碳氮化合物中硼元素：碳元素：氮元素的摩尔比为(2～20)：(30～60)：(30～60)。

3.根据权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于：所述钌金属形貌为纳米颗粒结构，其粒径为0.1nm～20nm。

4.根据权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于：所述活性材料占所述催化剂的质量百分含量为5wt％～70wt％。

5.一种催化剂的制备方法，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合处理包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述干燥处理包括先在50℃～80℃进行旋蒸处理，再进行冷冻干燥处理。

8.根据权利要求5～7任一项所述的制备方法，其特征在于：所述第二混合处理包括将所述第一混合物与所述活性材料源进行研磨处理；和/或

9.根据权利要求5～7任一项所述的制备方法，其特征在于：

10.一种水电解装置，包括催化剂，其特征在于：所述催化剂包括权利要求1～4任一项所述的催化剂或包括由权利要求5～9任一项所述制备方法制备的催化剂。

技术总结
本申请公开了催化剂及其制备方法、水电解装置。本申请催化剂包括载体和活性材料，载体负载活性材料，载体包括硼碳氮化合物，活性材料包括钌金属。硼碳氮化合物提高了载体的抗氧化性，且其中电负性大的氮原子具有更多的外层电子，与Ru金属紧密结合，有利于活性材料保持低价态而不易失活，从而提高催化剂的稳定性和催化效果。本申请催化剂制备方法包括将原材料进行混合处理再在惰性气氛下进行烧结处理。本申请水电解装置因为含有本申请催化剂，从而催化效率高，使用寿命长。

技术研发人员：白晓芳,徐少轶,樊建涛,李辉
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15