一种微/介孔Y2Ir2O7析氧催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及催化剂，尤其涉及一种微/介孔y2ir2o7析氧催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电解水制氢是一种重要的缓解能源危机的化工手段，它由阳极的氧析出反应(oer)和阴极的氢析出反应(her)组成，是一种可持续的、环保的可再生能源补充方法，已被广泛研究。her是二电子转移过程，而oer是相对缓慢的四质子耦合电荷转移的动力学过程，后者极大限制了电解水工艺的工业化发展。在电解水制氢方面，酸性质子交换膜(pem)电解槽相对于碱性电解槽具有低欧姆损耗、高电压效率、高气体纯度等优点。

2、目前，一般认为铱基催化剂是酸性条件下电催化产氧的最佳催化剂，而且在酸性条件下能稳定存在。但铱贵金属的存储量稀少，成本高且本征活性较低，因此，开发铱金属用量少、本征活性高的催化剂对于酸性催化产氧极具吸引力和应用价值。

3、高氧化电势及强酸性环境下，烧绿石型y2ir2o7氧化物已成为oer热点催化剂。该类型催化剂中，y金属的添加可显著降低贵金属ir用量；y还可以促进ir 5d和o 2p轨道杂化及ir 5d自旋轨道耦合，进而调节o*的吸附行为，本征活性高于纯iro2；y与o形成ao8八配位构型，ir与o形成iro6六配位构型，yo8和iro6共棱相连，稳定性优越。烧绿石型y2ir2o7氧化物的现有制备方法如熔融硝酸盐法(d.lebedev,m.povia,k.waltar,p.m.abdala,i.e.castelli,e.fabbri,m.v.blanco,a.fedorov,c.copéret,n.marzari,t.j.schmidt,chemistry of materials,2017,29,5182-5191；m.a.hubert,a.gallo,y.liu,e.valle,j.sanchez,d.sokaras,r.sinclair,l.a.king,t.f.jaramillo,journal of physicalchemistry c,2022,126,1751-1760)、溶胶凝胶-高温煅烧法(p-c.shih,j.kim,c-j.sun,h.yang,acs applied energy materials,2018,1,3992-3998)，均难以实现对y2ir2o7微观结构的有效调控，比表面积小且活性位点无法充分暴露，成为阻碍y2ir2o7高效应用的瓶颈难题。微孔和介孔可通过提供反应场所和气液传输通道协同增大活性面积并促进传质，对于电极反应是一种极为有益的微观结构形式。然而，具有微/介孔结构的烧绿石型y2ir2o7析氧催化剂的制备及应用尚缺乏相关报道。当前，关于多孔结构的ir基oer催化剂的设计，以模板法和去合金化法最具代表性，然而，模板及刻蚀剂的添加会提升材料制备的复杂性，不利于高效制备。此外，将前驱体与造孔剂(尿素、碳酸氢铵、碳酸铵等)物理混合并加热释放造孔气(nh3、co2等)制造孔洞也是多孔材料合成中较为普遍的方式，但该方法的可控性仍然有待改善。

技术实现思路

1、现针对现有技术中存在的烧绿石型y2ir2o7的微观结构调控困难、活性位点暴露受限等缺陷，本发明提供一种微/介孔y2ir2o7析氧催化剂及其制备方法，该制备方法将nh3与前驱体ycl3和ircl3的混合物进行饱和配位并且从配位点原位解离，无需模板及刻蚀剂，具备高效性和微观结构可控性，实现对y2ir2o7微观结构的有效调控。

2、本发明第一方面在于提供一种微/介孔y2ir2o7析氧催化剂的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤1：将前驱体ycl3和ircl3均匀溶解于无水乙醇中，超声分散后利用旋转蒸发仪去除无水乙醇，得到固体混合物；

4、步骤2：将所述固体混合物研磨后置于管式炉中与氨气进行气固反应，得到nh3饱和配位的y(nh3)xcl3-ir(nh3)ycl3中间体；

5、步骤3：在氮气保护下，进行nh3造孔气的原位解离反应，得到nh3原位解离的ycl3-ircl3中间体；

6、步骤4：将nh3原位解离的ycl3-ircl3中间体在氧气气氛中进行氧化处理，得到微/介孔y2ir2o7析氧催化剂。

7、具体地，步骤1中所述前驱体ycl3和ircl3的摩尔比为1：1。

8、具体地，步骤2中所述气固反应的反应温度为40-60℃，反应时间为1-3h。

9、具体地，步骤3中所述原位解离反应的反应温度为400-600℃，反应时间为1-2h。

10、具体地，步骤4中所述氧化处理的反应温度为700-1000℃，反应时间为1-3h。

11、本发明第二方面在于提供一种由上述制备方法制得的微/介孔y2ir2o7析氧催化剂。

12、本发明第三方面在于提供一种微/介孔y2ir2o7析氧催化剂在制备电极和质子交换膜水电解装置中的应用。

13、本发明第四方面在于提供一种用于电解水的析氧电极，析氧电极涂覆的浆料包括微/介孔y2ir2o7析氧催化剂。

14、本发明第五方面在于提供一种电解水的装置，包括微/介孔y2ir2o7析氧催化剂。

15、本发明提供的微/介孔y2ir2o7析氧催化剂的制备过程中，y3+和ir3+为较强的路易斯(lewis)酸，倾向与较强的lewis碱nh3成键，并且y3+和ir3+具有较大的离子半径，可为nh3配位提供充足的排布空间，在y/ir双位点实施nh3饱和配位及其原位解离；此外，nh3分子本身较小，有利于形成微/介孔结构。

16、本发明的有益效果为：

17、(1)本发明通过nh3饱和配位及原位解离制备得到微/介孔y2ir2o7析氧催化剂，该制备方法解决了y2ir2o7所面临的微观结构调控困难-活性位点暴露受限的问题，兼具高效性与微观结构可控性，有利于工业化生产；

18、(2)本发明通过微/介孔结构的有效构筑，减少了贵金属用量，降低了催化剂成本，提升了y2ir2o7的比表面积，可暴露更多的催化活性位点，从而降低了析氧反应的过电势并增强催化性能。

技术特征：

1.一种微/介孔y2ir2o7析氧催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中所述前驱体ycl3和ircl3的摩尔比为1：1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中所述气固反应的反应温度为40-60℃，反应时间为1-3h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述原位解离反应的反应温度为400-600℃，反应时间为1-2h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中所述氧化处理的反应温度为700-1000℃，反应时间为1-3h。

6.一种由权利要求1-5中任一项所述的制备方法制得的微/介孔y2ir2o7析氧催化剂。

7.一种根据权利要求6所述的微/介孔y2ir2o7析氧催化剂在制备电极和质子交换膜水电解装置中的应用。

8.一种用于电解水的析氧电极，其特征在于，所述析氧电极涂覆的浆料包括如权利要求6所述的微/介孔y2ir2o7析氧催化剂。

9.一种电解水的装置，其特征在于，包括如权利要求6所述的微/介孔y2ir2o7析氧催化剂。

技术总结
本发明提供一种微/介孔Y<subgt;2</subgt;Ir<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;析氧催化剂及其制备方法和应用，所述制备包括以下步骤：步骤1：将前驱体YCl<subgt;3</subgt;和IrCl<subgt;3</subgt;溶解于无水乙醇中，通过旋蒸处理去除无水乙醇，得到固体混合物；步骤2：将固体混合物置于管式炉中与氨气进行气固反应，形成NH<subgt;3</subgt;饱和配位的Y(NH<subgt;3</subgt;)<subgt;x</subgt;Cl<subgt;3</subgt;‑Ir(NH<subgt;3</subgt;)<subgt;y</subgt;Cl<subgt;3</subgt;中间体；步骤3：在氮气保护下进行NH<subgt;3</subgt;的原位解离反应，形成NH<subgt;3</subgt;原位解离的YCl<subgt;3</subgt;‑IrCl<subgt;3</subgt;中间体；步骤4：将NH<subgt;3</subgt;原位解离的YCl<subgt;3</subgt;‑IrCl<subgt;3</subgt;中间体氧化处理，得到微/介孔Y<subgt;2</subgt;Ir<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;析氧催化剂。本发明将前驱体YCl<subgt;3</subgt;和IrCl<subgt;3</subgt;与NH<subgt;3</subgt;进行饱和配位并且从配位点原位解离，具有高效性和微观结构可控性，显著提升催化剂比表面积、活性面积及析氧活性。

技术研发人员：李国强,贾洪瑞,张国新,杨鑫,林燕
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15