一种IrO2/S催化剂、膜电极及其制备方法和应用

本发明属于电解水制氢，特别是涉及一种iro2/s催化剂、膜电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着低碳排放经济和可再生能源的快速发展，氢能作为一种理想的能源载体和高效的储能技术受到了广泛的关注，质子交换膜(pem)电解水制氢由于其清洁无污染、电流密度高、电解效率高、氢气纯度高等优点，是绿色制氢技术的研究重点，也是最有潜力的制氢技术。在pem电解水制氢中，高性能的催化剂局限于贵金属，所以，降低成本是pem电解水制氢实现规模应用的关键。目前，酸性电解水中主要使用铱基和钌基催化剂，但钌基催化剂在酸性和高电位的条件下极易溶解，造成催化剂失活，而铱基催化剂的活性偏低，因此，提高铱基催化剂的本征活性是现阶段的研究重点和热点。

2、提高铱基催化剂活性的一个有效途径是元素掺杂，目前研究重心多为金属离子掺杂，例如等观察到，即使是少量的iro2(大约20wt％的添加量)也能显著提高双金属ir-ru氧化物的腐蚀稳定性，他们认为这种稳定性的增强源于电子效应。材料中的iro2与组分ruo2共享电子，从而在电催化条件下抑制可溶性ruo42-的形成。reier等提出了一类组分可调的ir-ni氧化物薄膜作为酸性oer催化剂模型。与纯irox相比，ir-ni混合氧化物的质量活性是纯铱的20倍。liu课题组报道了一种简单的锂掺入方法，打破了氧化铱中[iro6]八面体的长程有序，形成了高效的非晶li-irox。而对于非金属掺杂研究较少，非金属元素在电子调控中也有着不可小觑的作用，但是非金属掺杂往往伴随着导电性降低以及催化剂结构稳定性和电催化稳定性变差等问题，并且往往在三电极体系下性能优异的催化剂在大电流的工况下高活性难以保持，稳定性更是堪忧。

3、因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种iro2/s催化剂、膜电极及其制备方法和应用，用于解决现有技术中铱基催化剂无法在提高本征催化活性和金属利用率的同时，不损失稳定性的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种iro2/s催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

3、s1、称取一定量的铱源、硝酸盐和硫源，并充分研磨混合，得到混合物；

4、s2、将步骤s1中的所述混合物分散在乙醇溶液中，加热并搅拌后，经旋蒸、真空干燥，得到固体粉末；

5、s3、将所述固体粉末在空气中煅烧，经洗涤、干燥，得到iro2/s催化剂。

6、优选地，步骤s1中所述铱源包括ircl3·xh2o、ircl3、h2ircl6、k3ircl6中的一种或组合。

7、优选地，步骤s1中所述硝酸盐包括kno3、nano3中的一种或组合。

8、优选地，步骤s1中所述硫源包括硫粉、硫脲中的一种或组合。

9、优选地，步骤s1中所述铱源与硝酸盐之间的质量比为1:1～1:30。

10、优选地，步骤s1中所述铱源与硫源之间的物质的量比为1:1～1:10。

11、优选地，步骤s2中所述混合物在乙醇溶液中的浓度范围为0.01g/ml～1g/ml。

12、优选地，步骤s2中所述加热的温度为25～95℃，所述搅拌的时间为1～12h。

13、优选地，步骤s3中所述煅烧为自室温升温至煅烧温度后进行保温，其中，升温速率为1～5℃/min，所述煅烧温度为200～800℃，所述保温的时间为0.5～3h。

14、优选地，步骤s3中所述iro2/s催化剂中，s所占的质量百分比为1wt％～30wt％。

15、优选地，步骤s3中所述iro2/s催化剂的粒径为1nm～2nm。

16、本发明还提供一种根据上述的iro2/s催化剂的制备方法所制备的iro2/s催化剂。

17、本发明还提供一种iro2/s催化剂的应用，所述iro2/s催化剂作为析氧催化剂在酸性电解水析氧反应中的应用，其中，所述iro2/s催化剂为采用上述的iro2/s催化剂的制备方法所制备而成的。

18、另外，本发明还提供一种膜电极，所述膜电极包括上述的iro2/s催化剂的制备方法所制备的iro2/s催化剂。

19、本发明还提供一种膜电极的应用，所述膜电极在质子交换膜水电解催化反应中的应用。

20、如上所述，本发明的iro2/s催化剂、膜电极及其制备方法和应用，具有以下有益效果：

21、本发明采用改进的亚当斯熔融法成功的将s掺杂在iro2晶格中，成功对iro2的电子结构进行调控，在不牺牲iro2催化稳定性的同时提高了其本征催化活性，最终得到均匀分散且粒径为1nm～2nm的iro2/s催化剂；并且该催化剂在10ma cm-2的过电位为277mv，在电流密度为10ma cm-2的恒电流下测试可以稳定至少100h；将所制备的iro2/s催化剂在膜电极上依然保持高活性和高稳定性，同时金属利用率高，在2a/cm2、65℃下电池槽压仅为1.769v，在1a/cm2下可以稳定运行至少1000h。

技术特征：

1.一种iro2/s催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的iro2/s催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s1中包括以下条件中的一项或组合：

3.根据权利要求1所述的iro2/s催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s1中包括以下条件中的一项或组合：

4.根据权利要求1所述的iro2/s催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s2中包括以下条件中的一项或组合：

5.根据权利要求1所述的iro2/s催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s3中所述煅烧为自室温升温至煅烧温度后进行保温，其中，升温速率为1～5℃/min，所述煅烧温度为200～800℃，所述保温的时间为0.5～3h。

6.根据权利要求1所述的iro2/s催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s3中包括以下条件中的一项或组合：

7.一种根据权利要求1～6任一所述的iro2/s催化剂的制备方法所制备的iro2/s催化剂。

8.一种iro2/s催化剂的应用，其特征在于：所述iro2/s催化剂作为析氧催化剂在酸性电解水析氧反应中的应用，其中，所述iro2/s催化剂为采用权利要求1～6任一所述的iro2/s催化剂的制备方法所制备而成的。

9.一种膜电极，其特征在于：所述膜电极包括权利要求1～6任一所述的iro2/s催化剂的制备方法所制备的iro2/s催化剂。

10.一种权利要求9中所述的膜电极的应用，其特征在于，所述膜电极在质子交换膜水电解催化反应中的应用。

技术总结本发明提供一种IrO<subgt;2</subgt;/S催化剂、膜电极及其制备方法和应用，IrO<subgt;2</subgt;/S催化剂制备方法包括：S1、称取铱源、硝酸盐和硫源，充分研磨混合，得混合物；S2、将混合物分散在乙醇溶液中，加热搅拌后，经旋蒸、真空干燥，得固体粉末；S3、将固体粉末在空气中煅烧，洗涤、干燥，得到IrO<subgt;2</subgt;/S催化剂。本发明将S掺杂在IrO<subgt;2</subgt;晶格中，成功对IrO<subgt;2</subgt;的电子结构进行调控，得到均匀分散且粒径为1nm～2nm的IrO<subgt;2</subgt;/S催化剂，将其作为析氧催化剂应用于酸性电解水析氧反应中，在不牺牲IrO<subgt;2</subgt;催化稳定性的同时提高了其本征催化活性；所制备的IrO<subgt;2</subgt;/S催化剂在膜电极上保持高活性和高稳定性，同时金属利用率高。技术研发人员：王国樑,杨晨璐,杨辉,邹志青,张凤茹,乐舟莹,李军受保护的技术使用者：中国科学院上海高等研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/18