一种PEM电解槽阳极IrNi合金催化剂的制备方法

本发明属于电解水催化制氢，尤其涉及一种pem电解槽阳极irni合金催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球经济的快速发展，能源危机和环境问题日益突出。当前，人们使用的能源还是以传统的化石能源为主(煤、石油、天然气)。大规模的开采导致这些资源日益枯竭，同时co2等温室气体的产生加剧了全球变暖，人类的生存环境面临巨大挑战，因此探索可持续性的清洁能源迫在眉睫且意义重大。在各种能源体系中，氢能凭借其高效、环保、清洁等优点，引起了人们广泛的关注。

2、目前，每年生产的氢气95％来自化石燃料的催化重整，但其纯度较低，夹杂大量的含碳衍生物。相反，通过电解水制氢所产生的氢气纯度高达99％，是较为理想的产氢方式。在电解水制氢技术中，pem水电解槽具有快速的响应和操作电流密度，产氢纯度高达99.9999。但pem电解槽阳极侧氧析出反应动力学缓慢(oer),导致其工作效率受限。为了缓解这种不利影响，在pem电解槽中通常会使用高效的催化剂以降低化学反应发生所需的能垒。ruo2和iro2被发现是最有效的oer催化剂。然而，由于稀缺性和高成本，限制了它们的普遍应用，所以降低贵金属使用量，开发高效、经济的oer催化得到了广泛的关注。

技术实现思路

1、本发明在于提高pem电解槽制氢效率，降低阳极oer反应催化剂贵金属含量，并提供一种pem电解槽阳极irni合金催化剂及其制备方法。本发明将irni合金与金属氮化物tin载体紧密结合，表现出强烈的金属载体相互作用，有效提高了催化剂的催化性能和耐久性，对于促进pem电解槽大规模商业化具有一定实际意义。

2、本发明中，金属氮化物tin作为催化剂载体具有重要作用，该载体可有效抑制合金纳米颗粒团聚，起到良好的分散作用，同时自身高导电性可促进合金纳米颗粒与载体材料之间的电荷转移速率，且tin优异的耐腐蚀性可以提高催化剂的整体的稳定性；irni合金纳米颗粒具有优异的催化性能，是催化oer反应的主要活性物质，相对于ru和ir等贵金属，irni合金可显著减少贵金属使用量，并且实现相同甚至更佳的催化性能。

3、本发明的目的通过以下技术方案实现。

4、本发明提供了一种pem电解槽阳极irni合金催化剂，所述催化剂以金属氮化物tin为载体，高结晶性irni合金纳米颗粒均匀负载于载体表面。

5、优选地，所述irni合金纳米颗粒粒径约为3～5纳米，金属氮化物tin约为400～500纳米。

6、本发明还提供了一种pem电解槽阳极irni合金催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

7、a.将一定量的tin粉末加入一定浓度的hcl溶液中，并在65℃下油浴反应3h，随后采用去离子水和乙醇洗涤数次；

8、优选地，所述的hcl溶液为9.0mol l-1。

9、b.将步骤a制备的黑色粉末进行60℃真空干燥过夜；

10、c.将步骤b制备的粉末加入水溶液中，超声、磁力搅拌使其充分分散形成均匀的溶液；

11、d.将一定量的铱和镍等金属盐加入到步骤c制备的溶液中，充分搅拌混合后，加热蒸干；

12、优选地，铱金属盐为氯铱酸(h2ircl6·6h2o)，镍金属盐为氯化镍(nicl2)。

13、e.将步骤hd制备的粉末在氩氢气氛下500℃煅烧2h。

14、优选地，氩氢气体中氢体积分数为5％。

15、本发明以金属氮化物tin为载体材料，将其与铱、镍等金属盐混合，在氩氢气氛下高温煅烧以制备纳米tin负载的irni合金催化剂。该催化剂通过合金催化剂与tin载体的协同作用，以提升在pem电解槽阳极oer反应动力学，促进水分解产氢效率，同时采用irni合金可有效降低贵金属使用量，有利于pem电解槽成本的降低。此外，金属氮化物tin优异的耐腐蚀性为保证irni@tin催化剂的稳定性提供了保证。

16、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明制备方法简单，可适用于其他铱基合金催化剂的制备，具有良好的普适性；本发明制备的催化剂具有优异的oer催化活性，具备商业化潜力；本发明可有效降低铱等贵金属使用量，对于降低pem电解槽成本具有重大影响；本发明的制备策略为高性能铱基催化剂的开发制备奠定基础。

技术特征：

1.一种pem电解槽阳极irni合金催化剂，其特征在于，所述irni合金催化剂是以高导电性金属氮化物tin为载体，通过溶液浸渍方法，将载体与ir、ni等金属盐类充分混合，并在氩氢气体高温还原处理下，制备出一种独特的高电导性tin负载的irni合金催化剂，irni合金纳米颗粒为催化性能主要活性物质，金属氮化物tin对irni合金纳米颗粒起到良好分散并锚定合金颗粒稳定附着在其表面，高导电性的tin与高催化活性的irni合金纳米颗粒相互作用，表现出优异的催化效果。

2.根据权利要求1所述的一种pem电解槽阳极irni合金催化剂，其特征在于，所述金属氮化物tin载体具有较大的负载面积，其比表面积约为30～40纳米。

3.根据权利要求1所述的一种pem电解槽阳极irni合金催化剂，其特征在于，所述irni合金催化剂颗粒尺寸为4～5纳米，具有高度结晶性，且均匀紧密负载在金属氮化物tin表面，无明显团聚现象。

4.一种如权利要求1～3中任一项所述的pem电解槽阳极irni合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种pem电解槽阳极irni合金催化剂的制备方法，其特征在于，在制备过程中铱前驱体为氯铱酸、醋酸铱、乙酰丙酮铱、氯乙酸钠、四氯化铱中的一种或几种；镍前驱体为氯化镍、硝酸镍、乙酸镍、碳酸镍、乙酰丙酮镍中的一种或几种；真空干燥过夜的温度为60℃～80℃；煅烧温度为500～1000℃；煅烧时间为2～5h；洗涤方式包括微孔滤膜过滤洗涤、离心洗涤中的一种或几种。

技术总结
本发明公开了一种PEM电解槽阳极IrNi合金催化剂及其制备方法，属于电解水制氢技术领域。本发明所述的IrNi合金催化剂是由高导电性金属氮化物TiN为载体，通过溶液浸渍方法，将载体与Ir、Ni等金属盐类充分混合，并在氩氢气体高温还原处理下，制备出一种独特的高电导性TiN负载的IrNi合金催化剂。本发明结合金属氮化物的高导电性、良好的耐腐蚀性和IrNi合金的高催化活性以及金属载体之间的强相互作用，显著提高了催化活性位点的可及性和金属合金的稳定性从而改善了IrNi@TiN复合催化剂的析氧催化能力。本发明方法简单，适用范围广，可推广到其他Ir基合金催化剂的制备，这为开发高性能的Ir基合金催化剂奠定了基础。

技术研发人员：徐晓明,杨远,陈东方,胡松,李跃华
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22