一种基于异质结构载体的铱催化剂及其制备方法和应用

本发明属于质子交换膜电解水催化剂，具体涉及到一种基于异质结构载体的铱催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、与太阳能、风能等可再生能源耦合的质子交换膜电解水(pemwe)技术是实现可再生能源规模化利用的重要技术途径。该技术具有能量密度高、产氢纯度高、响应迅速等优势，可以将可再生能源产生的间歇性电能用于电解水产氢，实现可再生能源的转化与持续稳定利用。(l.an,c.wei,m.lu,h.liu,y.chen,günther g.scherer,adrian c.fisher,p.xi,z.j.xu,c.yan.recent development of oxygen evolution electrocatalysts inacidic environment[j].adv.mater.2021,33(20),2006328.)但受困于阳极氧析出反应的缓慢动力学，需要使用大量的铱基催化剂，而ir在地壳中储量低、成本高，又限制着pemwe的实际应用。(h.kim,j.kim,j.kim,g.h.han,w.guo,s.hong,h.s.park,h.w.jang,s.y.kim,s.h.ahn,dendritic gold-supported iridium/iridium oxide ultra-low loadingelectrodes for high-performance proton exchange membrane water electrolyzer,applied catalysis b:environmental,2021,283,119596.)因此，开发低铱载量的阳极氧析出反应催化剂对降低pemwe技术成本，实现其规模化利用至关重要。

2、设计金属基载体负载型催化剂是降低贵金属用量的有效途径，目前已有较多的研究。如peter strasser团队开发的在锑掺杂氧化锡(ato)上负载的ir纳米枝晶催化剂，展现出了优于商业催化剂的膜电极性能。(hyung-suk oh,hong nhan nong,tobias reier,manuel gliech and peter strasser,oxide-supported ir nanodendrites with highactivity and durability for the oxygen evolution reaction in acid pem waterelectrolyzers,chem.sci.,2015,6,3321–3328)。

3、邢巍研究员团队采用导电性良好的tin作为载体采用乙二醇回流法进行ir的负载，实现了ir的高效分散并证明tin可对ir活性位点进行有效调制，抑制ir的氧化溶解。(guoqiangli,kai li,longyang,jinfa chang,rongpengma,zhijian wu,junjie ge,changpeng liu,and wei xing,boosted performance of ir species by employing tinas the support toward oxygen evolution reaction,acs appl.mater.interfaces2018,10,38117-38124)进一步的，该团队以还原性气氛改性的氧化铌作为载体进行ir的负载，利用改性氧化铌载体表面富含的氧空位进行ir的锚定并抑制了ir纳米粒子在受热条件下的团聚，最终实现催化剂在膜电极体系良好的活性与稳定性。(zhaopingshi,ji li,jiadongjiang,yibo wang,xian wang,yang li,liting yang,yuyi chu,jingsen bai,jiahao yang,jing ni,ying wang,lijuan zhang,zhengjiang,changpeng liu,junjiege,wei xing，enhanced acidic water oxidation by dynamic migration ofoxygenspecies at the ir/nb2o5-xcatalyst/supportinterfaces,angew chem inted engl,2022,61(52),e202212341)。

4、但尽管以上负载型催化剂的设计能一定程度上提高ir的分散性，降低贵金属用量，但负载的贵金属均呈现粒径大于1nm的纳米粒子形貌，颗粒较大，易于发生贵金属颗粒的脱落、团聚等，导致催化剂的性能损失，且贵金属利用率的提升受到限制。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种基于异质结构载体的铱催化剂。

4、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，

5、具有异质结构的铌掺杂氧化钛载体；以及，负载于载体上的铱纳米团簇；

6、其中，所述铱纳米团簇与铌掺杂氧化钛载体的质量比为0.2～0.6:1。

7、作为本发明所述基于异质结构载体的铱催化剂的一种优选方案，其中：所述异质结构同时具有金红石相和锐钛矿相。

8、作为本发明所述基于异质结构载体的铱催化剂的一种优选方案，其中：所述铱纳米团簇的平均粒径<1nm。

9、本发明的再一目的是，提供一种基于异质结构载体的铱催化剂的制备方法。

10、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，

11、金属铌盐与金属钛盐进行水热处理，得到铌掺杂氧化钛前驱体；

12、铌掺杂氧化钛前驱体在流动气氛下进行热处理，形成异质结构的铌掺杂氧化钛载体；

13、以铌掺杂氧化钛载体作为载体，通过多元醇还原法制得基于异质结构载体的铱催化剂。

14、作为本发明所述基于异质结构载体的铱催化剂的一种优选方案，其中：所述金属铌盐为铌酸铵草酸盐，所述金属钛盐为钛酸异丙酯。

15、作为本发明所述基于异质结构载体的铱催化剂的一种优选方案，其中：所述金属铌盐与金属钛盐的摩尔比为0.05～0.25:1。

16、作为本发明所述基于异质结构载体的铱催化剂的一种优选方案，其中：所述水热反应的反应温度为150～180℃，反应时间为12～36h。

17、作为本发明所述基于异质结构载体的铱催化剂的一种优选方案，其中：所述流动气氛包括氮气、氩气、氢气与氩气的混合气或氢气与氮气的混合气中的一种。

18、作为本发明所述基于异质结构载体的铱催化剂的一种优选方案，其中：所述热处理的温度为500～700℃，时间为1～3h，升温速率为0.5～10℃/min。

19、本发明的再一目的是，提供一种基于异质结构载体的铱催化剂作为质子交换膜电解水阳极催化剂的应用。

20、本发明有益效果：

21、(1)本发明通过简单的金属掺杂及热处理过程实现了异质载体的制备，其丰富的异质界面为铱纳米团簇的负载提供了大量的锚定位点，并利用异质界面对铱负载层生长的抑制作用制备了负载有极小粒径铱纳米团簇的负载型催化剂，提高了贵金属利用率。

22、(2)所制备的铌掺杂氧化钛负载铱催化剂在质子交换膜电解水制氢应用中，表现出了良好的催化活性与催化稳定性，使得催化剂可以在大电流密度和高电解电压下长期稳定运行。