氧化铱催化剂的制备方法以及氧化铱催化剂、膜电极与流程

本发明涉及固体电解质水电解领域，尤其涉及一种氧化铱催化剂的制备方法以及氧化铱催化剂、膜电极。

背景技术：

1、随着能源、环境问题的日益突出，发展环境友好、可持续的新型绿色能源已是国内外的研究热点。氢能作为一种二次能源，具有高效、环保等优势，已成为国家战略能源及六大未来产业之一。为此，迫切需要发展高效、绿色制氢技术来满足日益增长的市场需求。目前碱性电解水制氢已实现商业化，但仍存在响应时间长、设备易腐蚀、氢气纯度低、设备体积大等缺陷。

2、相比传统制碱性电解水制氢，固体电解质水电解制氢(spewe)具有氢气纯度高(99.9999％)、电流密度大、快速启停、安全可靠，可自洽可再生能源结合等优点，成为近年来电解水制氢技术的重要研究方向。

3、目前固体电解质水电解制氢的核心部件膜电极由阴极催化剂、质子交换膜和阳极催化剂组成。在固体电解质水电解制氢中，催化层是电极进行电化学反应的场所。其中，阳极析氧反应动力学相比于阴极的析氢反应动力学缓慢，主要的电化学极化产生于阳极的电化学过程。此外，还要承受高腐蚀性、强氧化性的催化环境。为了提高析氧反应动力学，同时满足使用寿命，所用阳极催化剂以氧化铱(iro2)为主，其性能主要取决于形貌、表面结构及晶相。

4、目前所使用的iro2多以颗粒状为主，传统制备方法有adams-fusion法(k.papazisi,a.siokou,s.balomenou and d.tsiplakides,int.j.hydrogen.energy.,2012,37,16642-16648),pechini-admas法(n.mamace,e.mayousse,s.arrii-clacens,t.napporn,k.servat,n guillet and k.kokoh,appl.catal.b:environ.,2012,111-112,376-380)以及凝胶法(a.marshall,s.sunde,m.tsypkin and r.tunold,int.j.hydrogen.energy.,2007,32,2320-2324)。然而，颗粒状iro2易在合成及催化过程中发生团聚，极大减小催化剂的活性面积以及与电解质的有效接触，造成催化剂活性的快速衰减。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种氧化铱催化剂的制备方法以及氧化铱催化剂、膜电极，能够实现氧化铱催化剂形貌的调控，实现催化剂高活性、高稳定性的性能。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供一种氧化铱催化剂的制备方法，其包括如下步骤：将含镁盐溶解于超纯水中，得到第一溶液；向所述第一溶液中加入碱性无机物、水溶性高分子化合物，并在第一温度下反应若干时间，过滤清洗干燥得到第一固体产物，水溶性高分子化合物的添加量大于或者等于零，通过改变所述水溶性高分子化合物的种类以及比例来调控所述第一固体产物的形貌；将所述第一固体产物与能够形成熔融态的无机盐混合，在第二温度下煅烧，得到载体材料；将所述载体材料及含铱前驱体分散溶解于多元醇中，在第三温度下反应若干时间，过滤清洗干燥，得到第二固体产物；将所述第二固体产物与硝酸钠、炭黑混合，在空气中煅烧，得到第三固体产物；将所述第三固体产物在酸性溶液中清洗，去除所述载体材料，干燥，得到氧化铱催化剂。

3、在一实施例中，所述含镁盐包括氯化镁，硝酸镁，硫酸镁，乙酸镁以及乙酰丙酮镁中的至少一种。

4、在一实施例中，镁离子在所述第一溶液中的浓度为0.5mol/l～2mol/l。

5、在一实施例中，所述水溶性高分子化合物包括聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇中的至少一种。

6、在一实施例中，向所述第一溶液中加入的水溶性高分子化合物与金属镁的摩尔比为(1～10)：100。

7、在一实施例中，所述水溶性高分子化合物为聚乙烯吡咯烷酮、或聚乙二醇、或两者的混合物，在向所述第一溶液中加入碱性无机物、水溶性高分子化合物的步骤中，在形成的碱液中所述水溶性高分子化合物与金属镁的摩尔比为(1～7):100，以形成片层状的所述第一固体产物。

8、在一实施例中，所述水溶性高分子化合物为聚丙烯酰胺、或聚乙烯醇、或两者的混合物，在向所述第一溶液中加入碱性无机物、水溶性高分子化合物的步骤中，在形成的碱液中所述水溶性高分子化合物与金属镁的摩尔比为(5～10):100，以形成纤维状的所述第一固体产物。

9、在一实施例中，所述第一温度为60℃～90℃。

10、在一实施例中，所述第一固体产物与所述无机盐质量比为1：(10～15)。

11、在一实施例中，所述第二温度为400℃～800℃。

12、在一实施例中，所述载体材料与金属铱的质量比为(1～3)：(3～1)。

13、在一实施例中，所述第三温度为150℃～200℃。

14、在一实施例中，将所述载体材料及含铱前驱体分散溶解于多元醇中的步骤还包括：超声搅拌，以提高所述载体材料及含铱前驱体分散在所述多元醇中的分散性能。

15、在一实施例中，所述第二固体产物与硝酸钠、炭黑的质量比为(1～2)：(1～3)：(0.1～0.5)。

16、本发明还提供一种氧化铱催化剂，其采用上述的制备方法制备，所述氧化铱催化剂具有颗粒状、片层状、纤维状中的一种形貌。

17、在一实施例中，氧化铱催化剂中，氧化铱的含量大于99％。

18、本发明还提供一种膜电极，其采用如上所述的氧化铱催化剂作为阳极催化剂。

19、本发明氧化铱催化剂的制备方法以及氧化铱催化剂、膜电极，利用水溶性高分子化合物能够获得具有不同形貌的载体材料，进而能够获得具有不同形貌的氧化铱催化剂，实现氧化铱催化剂形貌的调控，实现催化剂高活性、高稳定性的性能，以应对其在不同使用环境、条件下阳极析氧反应活性与稳定性的高效表达。

技术特征：

1.一种氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含镁盐包括氯化镁，硝酸镁，硫酸镁，乙酸镁以及乙酰丙酮镁中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，镁离子在所述第一溶液中的浓度为0.5mol/l～2mol/l。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性高分子化合物包括聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，向所述第一溶液中加入的水溶性高分子化合物与金属镁的摩尔比为(1～10)：100。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性高分子化合物为聚乙烯吡咯烷酮、或聚乙二醇、或两者的混合物，在向所述第一溶液中加入碱性无机物、水溶性高分子化合物的步骤中，在形成的碱液中所述水溶性高分子化合物与金属镁的摩尔比为(1～7):100，以形成片层状的所述第一固体产物。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性高分子化合物为聚丙烯酰胺、或聚乙烯醇、或两者的混合物，在向所述第一溶液中加入碱性无机物、水溶性高分子化合物的步骤中，在形成的碱液中所述水溶性高分子化合物与金属镁的摩尔比为(5～10):100，以形成纤维状的所述第一固体产物。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一温度为60℃～90℃。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一固体产物与所述无机盐质量比为1：(10～15)。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二温度为400℃～800℃。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述载体材料与金属铱的质量比为(1～3)：(3～1)。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三温度为150℃～200℃。

13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述载体材料及含铱前驱体分散溶解于多元醇中的步骤还包括：超声搅拌，以提高所述载体材料及含铱前驱体分散在所述多元醇中的分散性能。

14.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二固体产物与硝酸钠、炭黑的质量比为(1～2)：(1～3)：(0.1～0.5)。

15.一种氧化铱催化剂，其特征在于，采用权利要求1～14任意一项所述的制备方法制备，所述氧化铱催化剂具有颗粒状、片层状、纤维状中的一种形貌。

16.根据权利要求15所述的氧化铱催化剂，其特征在于，氧化铱催化剂中，氧化铱的含量大于99％。

17.一种膜电极，其特征在于，采用如权利要求15或16所述的氧化铱催化剂作为阳极催化剂。

技术总结本发明提供一种氧化铱催化剂的制备方法以及氧化铱催化剂、膜电极，所述制备方法利用水溶性高分子化合物能够获得具有不同形貌的载体材料，进而能够获得具有不同形貌的氧化铱催化剂，实现氧化铱催化剂形貌的调控，进而实现催化剂高活性、高稳定性的性能。技术研发人员：陈禹彬,邹亮亮,刘得友,许翔,帅志龙受保护的技术使用者：宁波中科科创新能源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18