一种AEM膜电极用阳极催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于电解水催化剂制备，具体涉及一种aem膜电极用阳极催化剂及其制备方法和应用，应用于电解水阳极析氧催化剂。

背景技术：

1、aem电解水技术是一种利用阴离子交换膜(aem)进行水电解的技术。电解水制氢工艺主要在碱性和酸性介质中进行。酸性溶液作为电解液具有更加优异的能量效率，制氢速率更高。然而，酸性介质会腐蚀电解池和电反应设备，因此在酸性环境下的制氢成本更高。虽然贵金属基材料在酸性介质有较好的活性，但是大多数贵金属都属于过渡金属，当其在强酸环境中作为催化剂时是不稳定的。相比之下，有些过渡金属材料在碱性电解槽中有较好的催化活性并且更加稳定，也在相应的商业化技术得到了很好的发展。因此，促进碱性电解槽的发展对大规模制氢起着至关重要的作用。

2、在碱性电解槽中，水分子在阴极的析氢反应(her)只需要转移两个电子–质子；而阳极发生的析氧反应(oer)需要通过水的电化学反应氧化产生氧气，整个过程涉及四个质子和四个电子，通过多步质子耦合电子转移进行。析氧反应在动力学上很缓慢，不仅增加了电解水的能耗，更需要施加更大的电压驱动反应，降低了制氢的效率，大大限制了电解水在工业领域的应用。虽然，已经成功开发出许多优良的碱性电解水析氧催化剂，但是它们大多数只适用于200～400ma/cm2的小电流的环境，在工业生产所需要的大电流密度下，其催化性能往往呈现快速下降的趋势，因此仍然无法满足商业化的要求。

3、近年来，非贵金属(如ni、fe、co等)基化合物，在催化oer方面所表现出的优异的性能，能够不断的向贵金属催化剂靠近。然而，要获得能够组装成工业电解槽的合适的电催化剂，并且使其能够在高电流密度(≥500ma/cm2)下稳定工作，仍然具有挑战性。

4、因此，开发出膜电极在500ma/cm2以上的高电流密度下，仍然能够保持稳定、高效的电催化剂，对于提高大规模电解水工作的效率有着非常重要的意义。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是解决现有贵金属催化剂价格高、长时间的电解过程中缺乏稳定性而无法大规模使用的问题；另一方面解决现有非贵金属催化剂低活性和低稳定性问题，提供了一种aem膜电极用阳极催化剂的制备方法。

2、本发明还提供制备的aem膜电极用阳极催化剂及其应用。

3、技术方案：为实现上述目的，本发明的一种aem膜电极用阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将含铜化合物及含钴化合物与水混合，并调至成均质水溶液，调节ph至5～7；

5、(2)将上述均质水溶液放入水热反应釜内，均质水溶液体积不超过水热反应釜有效容积的1/2；

6、(3)将釜内温度升至340～370℃，压力升至20～30mpa，反应15～25min；

7、(4)步骤(3)完成后，调节釜内压力和温度至亚超临界状态，并维持反应4～6h；

8、(5)将步骤(4)所得的合成物多次洗涤后干燥至恒重得到aem膜电极用阳极催化剂。

9、进一步地，所述步骤(4)中调节釜内压力和温度至亚超临界状态为反应釜内的压力从20～30mpa升至80～100mpa，温度由340～370℃降至240～270℃。

10、进一步地，所述升压时间为20～30秒内，所述降温时间为30～60min内。

11、进一步地，所述步骤(1)中含铜化合物及含钴化合物中铜及钴的摩尔质量比为1:(0.5～2)。

12、进一步地，所述步骤(1)中调节ph至6.8～7.2，其中ph为7时最佳。

13、进一步地，所述含铜化合物为氧化铜或硝酸铜；所述含钴化合物为氧化钴或硝酸钴。

14、进一步地，所述步骤(3)中，采用5～10℃/min的升温速度。

15、进一步地，所述步骤(5)将合成物采用去离子水多次洗涤后，90℃蒸发去除表面水分，待肉眼无法观察到水分后60℃下干燥至恒重。

16、本发明所述的aem膜电极用阳极催化剂的制备方法制备的aem膜电极用阳极催化剂，所述aem膜电极用阳极催化剂具备棒状形态的镂空球形形态。

17、本发明所述的aem膜电极用阳极催化剂作为电解水阳极析氧催化剂的应用。

18、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、所制备的氧化铜钴催化剂具备高活性、高分散性和高附着性的特点，并且在水的临界点附近，温度和压力的微小变化，就会导致水的介电常数和离子积发生较大的变化，从而导致不同的反应机理，得到不同形态的颗粒，本发明通过改变温度及压力条件，控制催化剂的形态，首先在相对高温低压条件下先形成云朵状前驱体，后急速的切换成相对高压低温条件时云朵状前驱体会再次结晶生长，形成了比较面积大、活性点位多的镂空球形，可以提供更多的表面活性位点以促进电化学过程；2、本发明制备的氧化铜钴催化剂不使用贵金属元素，生产成本较低，并且制备方法简单，易于放大生产；3、所制备的氧化铜钴催化剂可高效应用于电解水析氧反应中，并且催化活性高，稳定性好，可以承受高电流密度的考验，且保持一定的稳定性。

技术特征：

1.一种aem膜电极用阳极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的aem膜电极用阳极催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中调节釜内压力和温度至亚超临界状态为反应釜内的压力从20～30mpa升至80～100mpa，温度由340～370℃降至240～270℃。

3.根据权利要求2所述的aem膜电极用阳极催化剂的制备方法，其特征在于，所述升压时间为20～30秒内，所述降温时间为30～60min内。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的aem膜电极用阳极催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中调节ph至6.8～7.2。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的aem膜电极用阳极催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中含铜化合物及含钴化合物中铜及钴的摩尔质量比为1:(0.5～2)。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的aem膜电极用阳极催化剂的制备方法，其特征在于，所述含铜化合物为氧化铜或硝酸铜；所述含钴化合物为氧化钴或硝酸钴。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的aem膜电极用阳极催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用5～10℃/min的升温速度。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的aem膜电极用阳极催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)将合成物采用去离子水多次洗涤后，90℃蒸发去除表面水分，待肉眼无法观察到水分后60℃下干燥至恒重。

9.一种用权利要求1至8中任意一项所述的aem膜电极用阳极催化剂的制备方法制备的aem膜电极用阳极催化剂，其特征在于，所述aem膜电极用阳极催化剂具备棒状形态的镂空球形形态。

10.一种权利要求9所述的aem膜电极用阳极催化剂的应用，其特征在于，所述aem膜电极用阳极催化剂作为电解水阳极析氧催化剂的应用。

技术总结本发明公开了一种AEM膜电极用阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：将含铜化合物及含钴化合物与水混合，并调至成均质水溶液，调节pH至5～7；将上述均质水溶液放入水热反应釜内，均质水溶液体积不超过水热反应釜有效容积的1/2；将釜内温度升至340～370℃，压力升至20～30MPa，反应15～20min；调节釜内压力和温度至亚超临界状态，并维持反应4～6h；将所得的合成物多次洗涤后干燥至恒重得到阳极用高活性氧化铜钴催化剂。本发明的制备方法简单，成本较低，所制备的氧化铜钴催化剂具备高活性、高分散性和高附着性的特点，并且制得的催化剂的晶体为棒状形态的镂空球形形态，可以提供更多的表面活性位点以促进电化学过程，可高效应用于电解水析氧反应中，催化活性高，稳定性好。技术研发人员：胡明明,钟读麟,蒋若荔,刘洋,刘佳豪受保护的技术使用者：无锡德林海零碳科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9