基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂及其制备方法

本发明涉及催化剂制备，具体涉及一种基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、为了解决可再生能源(如风能、太阳能等)电力生产过剩的问题，利用质子交换膜水电解技术将其以氢键的方式存储在氢气中具有较大的前景和经济效益。然而，水电解中阳极一侧析氧反应具有缓慢的动力学，因而具有较大的能量损失。目前最常用的仍然是铱基催化剂，然而其高昂的价格和较低的活性限制了该技术的大规模推广。相当多的研究致力于减少ir的使用量，提高其本征活性。近年来，单原子催化剂具有极低的贵金属载量，并且原子利用率高，因而受到人们的广泛关注。

2、现有技术通过co3o4、coooh、nio、nip等载体来负载ir单原子，如shizhang qiao等人发现ir可以以单原子的形式进入钴尖晶石氧化物的阳离子位点，所得的ir0.06co2.94o4的活性较商业氧化铱高出两个数量级(jieqiong shan,chao ye,shuangming chen,etal.short-range ordered iridium single atoms integrated into cobalt oxidespinel structure for highly efficient electrocatalytic wateroxidation.j.am.chem.soc.2021,143,13,5201–5211)；meng gu等人在nio阵列上制备的单原子ir催化剂活性是氧化铱的26倍(qi wang,xiang huang,zhi liang zhao,etal.ultrahigh-loading of ir single atoms on nio matrix to dramaticallyenhance oxygen evolution reaction.j.am.chem.soc.2020,142,7425-7433)；chunhuayan等人利用nico2o4中的氧空位锚定ir单原子，也具有优异的活性(jie yin,jing jin,minlu,et,al.iridium single atoms coupling with oxygen vacancies boosts oxygenevolution reaction in acid media.j.am.chem.soc.2020,142,18378-18386)。尽管所制备的单原子催化剂具有较高的活性，但是载体在强酸性条件下的不稳定性是尤为突出的问题。

3、氧化钯作为一种酸性条件下超稳定的载体，其在析氧条件下的稳态溶解量远小于ir、pt等贵金属。另一方面，氧化钯晶体结构为四方结构能够较大程度上改变ir中心的电子结构，因而作为单原子ir的基质是一种较好的选择。然而传统制备工艺上在氧化钯中容易引入pd单质，因而稳定性极差。而且，在不耐蚀的氧化物上单原子ir的形成往往伴随着催化剂稳定性的下降，导致析氧催化活性快速丧失。因此，开发稳定的氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂必须采用合适的策略避免单质pd的形成，以期得到优异的酸性水氧化活性和稳定性。

技术实现思路

1、本发明要解决现有技术中质子交换膜水电解铱基催化剂活性不足及单原子ir催化剂稳定性差的技术问题，提供一种基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂及其制备方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

3、本发明提供一种基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)室温下将ir、pd前躯体分散于水中，超声，得到第一悬浊液；

5、(2)搅拌下，向上述第一悬浊液加入碳酸钠(na2co3)水溶液，在60-80℃水浴下搅拌3-6h，得到第二悬浊液；

6、(3)将所述第二悬浊液离心分离，然后在40-80℃的烘箱中干燥得到第一复合固体；

7、(4)将上述第一复合固体于300-500℃、纯氧条件下焙烧0.5-2h得到第二复合固体；

8、(5)将所述第二复合固体经过酸洗、抽滤、干燥、及研磨过程得到所述基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂。

9、优选的是，步骤(1)中，所述ir前躯体为氯铱酸、氯铱酸钾、乙酰丙酮铱或者醋酸铱，所述pd前躯体为氯钯酸、醋酸钯、氯钯酸钠、硝酸钯、氯钯酸铵或者氯钯酸钾。

10、优选的是，步骤(1)中，所述ir前躯体与pd前躯体的物质的量比小于0.06。

11、优选的是，步骤(1)中，分散剂为15ml超纯水，分散时间为5min。

12、优选的是，步骤(2)中，所述na2co3水溶液的加入量根据悬浊液最终的ph而定，最终使ph＝11。

13、优选的是，步骤(3)中，所述离心分离的转速为10000rpm，时间为1min；所述干燥方式为鼓风干燥，干燥温度为60-80℃、时间为12h。

14、优选的是，步骤(4)中，所述焙烧方式为管式炉焙烧。

15、优选的是，步骤(5)中，所述酸洗方式为硫酸酸洗，硫酸浓度为0.5m，酸洗时间为6h；抽滤后用2.5l超纯水洗滤饼；所述干燥方式为鼓风干燥，干燥温度为40-80℃，时间为12h。

16、本发明还提供一种上述制备方法制备得到的基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂。

17、所述催化剂中ir为单原子分散，最高载量为10wt％，并且获得的单原子ir催化剂质量活性高，稳定性好。

18、本发明的有益效果是：

19、本发明的基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂的制备方法，制备的氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂，该氧化钯载体限域的单原子铱催化剂ir位点分散性好，具有优异的催化活性和稳定性。

20、本发明的基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂的制备方法，通过铱前躯体和钯前躯体在碳酸钠沉淀剂存在的条件下发生共沉淀，然后通过纯氧气氛的焙烧，从而合成氧化钯载体限域的单原子铱催化剂，该方法中避免了单质pd的生成，极大提高了催化剂在oer条件下的稳定性。与现有的商业铱催化剂相比，本发明在铱催化剂中添加了氧化钯作为载体以锚定和稳定ir单原子，并且贵金属ir的使用量更低，活性和稳定性更好。本发明在制备催化剂时对ir、pd的比例进行了控制，从而得到质量分数最大为10wt％的单原子ir催化剂，ir单原子中心通过ir-o-pd键与pdo基底紧密结合，在析氧反应中具有超高的质量活性和稳定性。实验也证明了，采用本发明方法制备单原子催化剂具有优异的活性和稳定性，而且本发明提供的方法简便易行，适宜于大规模生产。

技术特征：

1.一种基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂的制备方法，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，步骤(1)中，所述ir前躯体为氯铱酸、氯铱酸钾、乙酰丙酮铱或者醋酸铱，所述pd前躯体为氯钯酸、醋酸钯、氯钯酸钠、硝酸钯、氯钯酸铵或者氯钯酸钾。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述ir前躯体与pd前躯体的物质的量比小于0.06。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，分散剂为15ml超纯水，分散时间为5min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述na2co3水溶液的加入量根据悬浊液最终的ph而定，最终使ph＝11。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述离心分离的转速为10000rpm，时间为1min；所述干燥方式为鼓风干燥，干燥温度为60-80℃、时间为12h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述焙烧方式为管式炉焙烧。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述酸洗方式为硫酸酸洗，硫酸浓度为0.5m，酸洗时间为6h；抽滤后用2.5l超纯水洗滤饼；所述干燥方式为鼓风干燥，干燥温度为40-80℃，时间为12h。

9.一种权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备得到的基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂。

10.根据权利要求9所述的基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂，其特征在于，所述催化剂中ir为单原子分散，最高载量为10wt％，并且获得的单原子ir催化剂质量活性高，稳定性好。

技术总结本发明涉及一种基于氧化钯载体限域的单原子铱水电解制氢阳极催化剂及其制备方法，属于催化剂制备技术领域。解决现有质子交换膜水电解铱基催化剂活性不足及单原子Ir催化剂稳定性差的技术问题。本发明的制备方法是通过铱前躯体和钯前躯体在碳酸钠沉淀剂存在的条件下发生共沉淀，然后通过纯氧气氛的焙烧，从而合成氧化钯载体限域的单原子铱催化剂，该方法中避免了单质Pd的生成，极大提高了催化剂在OER条件下的稳定性。本发明制备的催化剂中单原子Ir的质量分数最高可达10wt％，Ir单原子中心通过Ir‑O‑Pd键与PdO基底紧密结合，在析氧反应中具有超高的质量活性和稳定性。所述方法简便易行，环境友好，并且适宜于大规模生产。技术研发人员：邢巍,王意波,刘长鹏,金钊,李晨阳,梁亮,王显,侯帅受保护的技术使用者：中国科学院长春应用化学研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/30