一种RuO2均匀负载的WO3自支撑催化剂电极、制备方法及其应用

本发明属于无机功能材料，具体涉及一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极、制备方法及其在酸性水裂解析氧方面的应用。

背景技术：

1、质子交换膜(pem)电解槽采用质子交换膜为电解质传导质子和隔绝电极两侧产生的气体，体系电阻较低，可显著提高电解效率，使其具有电流密度高(>1a cm-2)、氢气品质好和电解槽体积紧凑等优点。更为重要的是，pem电解水技术启动和功率调节迅速，非常契合可再生能源的波动性。催化剂是pem电解水反应的关键材料，尤其是阳极析氧反应(oer)催化剂。由于pem电解水所需质子交换膜的强酸特性和高的阳极电解电压，要求催化剂能够在强酸、强氧化环境下长期稳定工作，极大地限制了催化材料的选择范围。目前，商业上pem电解槽阳极端广泛使用的是贵金属二氧化铱(iro2)催化剂，其高的成本和低的储量限制了规模化应用。因此发展高效稳定和低成本的非ir基析氧催化剂是pem电解水制氢技术发展的研究重点。

2、金属ru相比于ir具有更高的析氧催化活性和低的价格，因此，不同类型的ru基催化剂在酸性oer领域取得了一系列重要进展，有望替代ir基催化剂。其中许多ru基催化材料在10ma cm-2电流密度下，催化活性已经超过了商业iro2和ruo2催化剂，其优异的oer催化活性有利于提高电解水的效率，促进电解水产氢。尽管ru基材料在酸性oer电催化剂的开发方面取得了很大的进步，但是在催化寿命方面差强人意，一般稳定十几或几十个小时，最多上百小时，很难达到工业应用的需求。这使得将新开发的ru基催化剂在实际应用于pem电解槽阳极端时仍然存在巨大的挑战，大大限制了工业上pem电解水产氢技术的进步。因此，开发高效、稳定的ru基酸性析氧催化剂是很有必要的。

技术实现思路

1、针对现有ru基材料酸性析氧性能不足的问题，本发明以提高ru基材料酸性析氧活性和稳定性为目的，提供了一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极，其在酸性电解液中具有优异的活性和高的稳定性。

2、本发明所述的一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极的制备方法，采用分步水热-浸泡-氧化的方法制备，其步骤如下：

3、(1)将基底浸渍在钨源水溶液中，通过一步水热法，在基底上形成纳米棒状的wo3纳米线；

4、(2)将步骤(1)得到的wo3纳米线在ru源水溶液中浸泡吸附ru离子；

5、(3)将步骤(2)吸附ru离子后的wo3纳米线在空气中氧化，得到ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极。

6、上述方法中，步骤(1)中钨源为偏钨酸铵、氯化钨、偏钨酸钠或钨酸钠，钨源的量为1～5mmol，钨源水溶液的体积为30～100ml。

7、上述方法中，步骤(2)中ru源为氯化钌、醋酸钌或乙酰丙酮钌，ru源水溶液浓度为0.5～20mg/ml。

8、上述方法中，步骤(1)中基底为碳纸、碳布、石墨片、钛网或钛片；用丙酮、乙醇和水依次超声清洗后使用。

9、上述方法中，步骤(1)中水热反应的温度为120～220℃，反应时间为5～50h。

10、上述方法中，步骤(2)中浸泡温度为25～80℃，浸泡时间为1～50h。

11、上述方法中，步骤(3)中氧化温度为200～450℃，氧化时间为0.5～5h。

12、一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极，其是由上述方法制备得到。本发明所述的一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极可以在酸性水裂解析氧方面得到应用。

13、本发明具有以下有益效果：

14、1.本发明在wo3表面负载ruo2材料，既可以使ruo2以纳米尺寸均匀分布，又可以提高ruo2的稳定性，是一种成功的普适制备方法；

15、2.与粉末状催化剂相比，本发明为一体式自支撑催化剂电极，不需使用聚合物粘结剂，在工作环境下不会出现剥皮现象；

16、3.本发明催化剂电极在酸性条件下具有较高的电催化析氧活性和稳定性：电流密度达10ma cm-2时，所需过电势为203mv，稳定运行200小时以上。

技术特征：

1.一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极的制备方法，采用分步水热-浸泡-氧化的方法制备，其步骤如下：

2.如权利要求1所述的一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中钨源为偏钨酸铵、氯化钨、偏钨酸钠或钨酸钠，钨源的量为1～5mmol，钨源水溶液的体积为30～100ml。

3.如权利要求1所述的一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中基底为碳纸、碳布、石墨片、钛网或钛片；用丙酮、乙醇和水依次超声清洗后使用。

4.如权利要求1所述的一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中水热反应的温度为120～220℃，反应时间为5～50h。

5.如权利要求1所述的一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中ru源为氯化钌、醋酸钌或乙酰丙酮钌，ru源水溶液浓度为0.5～20mg/ml。

6.如权利要求1所述的一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中浸泡温度为25～80℃，浸泡时间为1～50h。

7.如权利要求1所述的一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极的制备方法，其特征在于：步骤(3)中氧化温度为200～450℃，氧化时间为0.5～5h。

8.一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极，其特征在于：是由权利要求1～7任何一项所述的方法制备得到。

9.权利要求1所述的一种ruo2均匀负载的wo3自支撑催化剂电极在酸性水裂解析氧方面的应用。

技术总结
一种RuO<subgt;2</subgt;均匀负载的WO<subgt;3</subgt;自支撑催化剂电极、制备方法及其在酸性水裂解析氧方面的应用，属于无机功能材料技术领域。首先将基底浸渍在钨源水溶液中，通过一步水热法，在基底上形成纳米棒状的WO<subgt;3</subgt;纳米线，再在Ru源水溶液中浸泡吸附Ru离子；最后在空气中氧化，得到RuO<subgt;2</subgt;均匀负载的WO<subgt;3</subgt;自支撑催化剂电极。钨源为偏钨酸铵、氯化钨、偏钨酸钠或钨酸钠，Ru源为氯化钌、醋酸钌或乙酰丙酮钌，基底为碳纸、碳布、石墨片、钛网或钛片；本发明在WO<subgt;3</subgt;表面负载RuO<subgt;2</subgt;材料，既可以使RuO<subgt;2</subgt;以纳米尺寸均匀分布，又可以提高RuO<subgt;2</subgt;的稳定性；电流密度达10mA cm<supgt;‑2</supgt;时，所需过电势为203mV，稳定运行200小时以上。

技术研发人员：王同洲,邓意达,李纪红,潘峻宇,孙雨寒
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7