一种稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂及其制备方法和应用

本发明属于纳米催化剂，具体涉及一种稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，发展低碳能源逐步成为全球各国的共识。氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，逐渐成为了全球能源转型的重要载体之一，并且氢能的能量密度高、储存方式简单，是大规模、长周期储能的理想选择。目前全球氢气的生产结构主要为化石能源制氢和电解水制氢，电解水制氢仅占其中的4％～5％。两种制氢方式主要存在技术和成本的差别，电解水制氢技术可将太阳能、风能等可再生能源产生的电能进一步转化为稳定的氢能，转化效率高且不存在二氧化碳的排放，被认为是最理想的制氢途径。电解水的阴极半反应为析氢反应，阳极半反应为析氧反应。与析氢反应不同的是，析氧反应是涉及到四个电子转移的多电子反应，表现出较慢的分子动力学，限制了电解水制氢的实际应用。尤其对于酸性析氧反应，其苛刻的强酸环境对阳极催化剂提出了较高的要求，提高阳极催化剂的活性与稳定性成为限制质子交换膜电解槽发展的关键因素。迄今为止，绝大多数非贵金属催化剂的抗酸溶解性较差，仅适用于中性至碱性条件下的水分解，只有少数贵金属基催化剂(铱和钌)才能在阳极极化条件下实现酸性水分解。

2、然而，铱基催化剂作为电解水的阳极催化剂仍然存在一些劣势：

3、1)成本高。据报道，在最先进的质子交换膜电解槽中，阳极所需的铱催化剂是阴极铂炭催化剂的五倍之多。铱是地壳中最稀有的元素之一，由此产生的高成本进一步限制了质子交换膜电解槽的大规模应用。有研究指出，结合铱的高成本及质子交换膜电解水技术对析氧反应的性能要求，目前的铱基催化剂的负载量为2mg/cm2，在此基础上需要将铱基催化剂的负载量减少40倍，才能促进该技术的广泛使用。

4、2)本征活性较低。相比于二氧化钌，二氧化铱的本征活性更低。铱基氧化物中铱位点对含氧中间体的吸附较弱，需要较高的位点驱动水分子的吸附、活化及氧气析出。因此，开发不同金属掺杂合金来增加电催化材料的化学复杂性，提高铱位点对关键含氧中间体的结合能，提高催化剂的本征活性，对开发高性能质子交换膜电解槽催化剂具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中铱基催化剂存在的问题，本发明提供了一种稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂及其制备方法和应用，实现酸性电解质中的高性能电解水析氧，并保持优异的稳定性，实现规模化的生产及应用。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方法如下：

3、一种稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂，利用热冲击法将稀土元素钇均匀掺杂至铱中，形成合金纳米颗粒；其中，钇与铱的摩尔比为1：(1～3)。

4、进一步地，所述合金纳米颗粒的尺寸为20-80纳米。

5、一种稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤1：对生碳纸进行热处理，得到处理后碳纸；

7、步骤2：将铱基化合物与钇基化合物加入至由去离子水和无水乙醇混合的溶剂中，得到混合溶液；其中，所述铱基化合物中铱原子与钇基化合物中钇原子的摩尔比为1：(1～3)；

8、步骤3：所述混合溶液经超声后，均匀喷涂至处理后碳纸表面，干燥后得到待合成样品，在惰性气体下进行热冲击反应，制得负载在碳纸上的稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂。

9、进一步地，所述铱基化合物为氯化铱或醋酸铱等。

10、进一步地，所述钇基化合物为氯化钇或硝酸钇等。

11、进一步地，所述热冲击反应的具体过程为：利用导电材料将待合成样品固定在玻璃板上，烘干后放置在充满惰性气体的玻璃管中，施加瞬时电压电流以快速升温，并快速降温后，制得负载在碳纸上的稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂。

12、进一步地，所述热冲击反应施加的电压为10-30伏特，电流为10-30安培，时长为5-30秒。

13、进一步地，所述烘干的温度为80-120摄氏度，保温时间为10-40分钟。

14、进一步地，步骤1中热处理的具体过程为：将生碳纸放置到马弗炉中，升温至300-500摄氏度，保温90-150分钟。

15、进一步地，升温的速率为5-10摄氏度每分钟。

16、进一步地，步骤2中去离子水和无水乙醇的体积比为1：(1～4)。

17、进一步地，步骤2中混合溶液的溶质浓度为0.05-0.5摩尔每升。

18、进一步地，步骤3中混合溶液的超声时间为15-45分钟，干燥温度为50-80摄氏度。

19、本发明还提供了一种上述技术方案任一所述稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂或上述技术方案任一所述制备方法得到的稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂在电解水制氢的酸性析氧反应中的应用。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

21、1、本发明提出了一种稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂，利用热冲击法实现稀土元素钇的均匀掺杂，相较于传统合成方法，所得合金纳米颗粒的尺寸均匀，制备方法简单，利于规模化的生产及应用；

22、2、相较于商业质子交换膜电解水器件所采用的负载量在2毫克每平方厘米的二氧化铱阳极催化剂，本发明可以在保持几近相同的催化性能和稳定性的同时，将阳极催化剂的用量明显降低，负载量仅有0.48毫克每平方厘米，并且掺杂的非贵金属钇能将阳极催化剂的成本大幅降低，利于质子交换膜器件的商业化应用；

23、3、本发明提供的稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂可用于电解水制氢的酸性析氧反应，在传统h型电解池的三电极体系中，实现10毫安电流密度的过电位只有255毫伏，且能在100毫安的大电流密度下保持超过500小时的稳定析氧性能，具备优异的催化性能和稳定性。

技术特征：

1.一种稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂，其特征在于，利用热冲击法将稀土元素钇均匀掺杂至铱中，形成合金纳米颗粒；其中，钇与铱的摩尔比为1：(1～3)。

2.根据权利要求1所述稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂，其特征在于，所述合金纳米颗粒的尺寸为20-80纳米。

3.一种稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述铱基化合物为氯化铱或醋酸铱。

5.根据权利要求3所述稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述钇基化合物为氯化钇或硝酸钇。

6.根据权利要求3所述稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述热冲击反应的具体过程为：利用导电材料将待合成样品固定在玻璃板上，烘干后放置在充满惰性气体的玻璃管中，施加瞬时电压电流以快速升温，并快速降温后，制得负载在碳纸上的稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂。

7.根据权利要求6所述稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述热冲击反应施加的电压为10-30伏特，电流为10-30安培，时长为5-30秒。

8.根据权利要求3所述稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中热处理的具体过程为：将生碳纸放置到马弗炉中，升温至300-500摄氏度，保温90-150分钟。

9.根据权利要求3所述稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2中混合溶液的溶质浓度为0.05-0.5摩尔每升。

10.根据权利要求3～9任一项所述制备方法得到的稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂在电解水制氢的酸性析氧反应中的应用。

技术总结
本发明提供一种稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂及其制备方法和应用，属于纳米催化剂技术领域，利用热冲击法将稀土元素钇均匀掺杂至铱中，形成钇与铱的摩尔比为1：(1～3)的合金纳米颗粒；制备方法具体为：将铱基化合物与钇基化合物加入至由去离子水和无水乙醇混合的溶剂中，得到混合溶液，超声后均匀喷涂至热处理后的碳纸表面，干燥后在惰性气体下进行热冲击反应，制得负载在碳纸上的稀土元素钇掺杂的铱合金催化剂，可用于电解水制氢的酸性析氧反应。本发明的制备方法简单，所得合金纳米颗粒的尺寸均匀，具备优异的催化性能和稳定性，并极大降低成本，利于规模化的生产及应用。

技术研发人员：夏川,熊晓霞,江秋
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19