金刚石-金属复合催化剂及其制备方法和电解槽与流程

本发明涉及电解水制氢的材料领域，尤其涉及质子交换膜电解槽的催化剂材料。

背景技术：

1、氢气作为大规模储能的介质，被认为是未来可再生能源为主的绿色能源社会中的重要储能材料之一。质子交换膜电解槽(pem-we)以其高功率密度和出色的启停相应是促进大规模可再生能源的电解水制氢的完美技术。然而，高材料成本仍然是大规模生产的主要挑战技术的应用。质子交换膜电解槽的能量转换部件为膜电极装配(membraneelectrodeassembly)，其中核心能量转换材料为以催化剂及质子交换树脂为主要物质所结合构成的催化剂层。其中制约大规模应用的高材料成本来自阳极的贵金属铱类催化剂，其具有对阳极的水氧化析氧(oxygen evolution reaction)反应极快的电催化活性。目前阳极的铱类催化剂载量超过pem-we可持续且大规模应用的标准，为达到低载量贵金属的膜电极，需要显著降低铱类催化剂的堆积密度，向燃料电池负载型催化剂的方向发展。但在苛刻的酸性高电位环境可长久工作的载体少之又少，对于当下热门的锑掺杂氧化锡(ato)类载体，虽电导率较高但存在结构性差和金属浸出毒化质子交换膜的问题，而纯氧化铱等市售商业化催化剂虽稳定性较高，但比质量活性较低，铱的堆积密度也很高，无法实现极低贵金属载量的大规模商业化电解应用。新型导电耐腐蚀的载体研究和探索是一个重要的课题。

技术实现思路

1、基于上述提及的问题，有必要提供一种金刚石-金属复合催化剂及其制备方法，以及使用该金刚石-金属复合催化剂的电解槽。导电金刚石作为耐腐蚀的电极材料非常适合用作阳极催化剂的担载，使用此类载体技术可在不影响电解效率情况下显著降低贵金属使用量从而降低pem-we成本且实现大规模应用的解决方案。

2、一种金刚石-金属复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

3、s1：

4、提供导电金刚石颗粒作为载体；

5、s2：

6、提供铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的合金，或者，

7、提供铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的氧化物颗粒；

8、将上述金属或金属氧化物担载于所述导电金刚石的表面，得到所述金刚石-金属复合催化剂。

9、在一个实施例中，所述步骤s2中，将上述金属或金属氧化物担载于所述导电金刚石的表面，使前述金属或金属氧化物包覆于所述导电金刚石的表面形成包覆层，得到所述金刚石-金属复合催化剂。

10、一种金刚石-金属复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

11、s1：

12、提供纳米金刚石颗粒作为载体；

13、s2：

14、提供铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的合金，或者，

15、提供铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的氧化物颗粒；

16、将所述金属或金属氧化物包覆于所述纳米金刚石的表面，形成所述金属或金属氧化物的外包覆层包裹内核为纳米金刚石的结构，该结构为金刚石-金属复合催化剂。

17、在一个实施例中，所述步骤s2包括：提供铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的含水/水合氧化物颗粒，将上述金属或金属氧化物担载于所述导电金刚石的表面，得到所述金刚石-金属复合催化剂。

18、在一个实施例中，还包括步骤s3：将所述金刚石-金属复合催化剂在氧化氛围下氧化。

19、在一个实施例中，所述纳米金刚石的粒径为10nm-2μm。

20、在一个实施例中，所述包覆层的厚度范围为2nm-50nm。

21、在一个实施例中，所述包覆层包裹面积达所述纳米金刚石表面积的60-100％。

22、在一个实施例中，还包括步骤s0：

23、通过热丝化学气相沉积法获得导电金刚石颗粒，所述热丝化学气相沉积法的参数为:基台温度500-800℃，热丝温度180-2400℃，气压1-5kpa，通入氢气100-1000sccm，甲烷1-20sccm，硼烷1-20sccm，生长10min以上。

24、在一个实施例中，还包括步骤s0：

25、通过微波等离子体化学气相沉积法通获得导电金刚石颗粒，所述微波等离子体化学气相沉积法的参数为：微波功率500-3000瓦，通入氢气100-1000sccm，甲烷1-20sccm，硼烷1-10sccm，基台温度500-700℃，气压4-6kpa，生长时间3-10h。

26、一种金刚石-金属复合催化剂，使用上述任一项所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法制得。

27、一种金刚石-金属复合催化剂，包括载体和活性材料；

28、所述载体为导电金刚石颗粒；

29、所述活性材料为铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的合金，或者，所述活性材料为铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的氧化物颗粒。

30、一种金刚石-金属复合催化剂，包括载体和活性材料；

31、所述载体为纳米金刚石颗粒；

32、所述活性材料为铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的合金，或者，所述活性材料为铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的氧化物颗粒，所述金属或金属氧化物包覆于所述纳米金刚石的表面形成包覆层。

33、进一步地，所述活性材料为铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的含水/水合氧化物。

34、一种电解槽，包括阳极和阴极，所述阳极和/或阴极的催化剂层使用上述任一项所述的金刚石-金属复合催化剂。

35、本发明的有益效果是：

36、1.以本发明的催化剂作为电解槽的阳极催化剂层，能显著降低阳极催化剂层中金属/金属氧化物/合金的堆积密度，实现纳米颗粒级别的金属担载，提高催化剂的利用率。

37、2.金刚石具有耐腐蚀性及抗氧化性，作为载体具有很长的使用寿命。

38、3.金刚石不受资源限制，负载少量金属所形成的催化剂的成本较现有纯氧化铱体系的催化剂成本低，可实现pem-we的大规模应用。

39、4.与氧化铱等催化剂相比较，本发明的催化剂在降低金属使用量同时维持相当的耐久性。

技术特征：

1.一种金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，将上述金属或金属氧化物担载于所述导电金刚石的表面，使前述金属或金属氧化物包覆于所述导电金刚石的表面形成包覆层，得到所述金刚石-金属复合催化剂。

3.一种金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求1或2或3所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s2包括：提供铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的含水/水合氧化物颗粒，将上述金属或金属氧化物担载于所述导电金刚石的表面，得到所述金刚石-金属复合催化剂。

5.根据权利要求4所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，还包括步骤s3：将所述金刚石-金属复合催化剂在氧化氛围下氧化。

6.根据权利要求3所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述纳米金刚石的粒径为10nm-2μm。

7.根据权利要求2或3所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述包覆层的厚度范围为2nm-50nm。

8.根据权利要求2或3所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述包覆层包裹面积达所述纳米金刚石表面积的60-100％。

9.根据权利要求1所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，还包括步骤s0：

10.根据权利要求1所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法，其特征在于，还包括步骤s0：

11.一种金刚石-金属复合催化剂，其特征在于，使用权利要求1-10任一项所述的金刚石-金属复合催化剂的制备方法制得。

12.一种金刚石-金属复合催化剂，其特征在于，包括载体和活性材料；

13.一种金刚石-金属复合催化剂，其特征在于，包括载体和活性材料；

14.根据权利要求12或13所述的金刚石-金属复合催化剂，所述活性材料为铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的含水/水合氧化物。

15.一种电解槽，其特征在于，包括阳极和阴极，所述阳极和/或阴极的催化剂层使用权利要求1-14任一项所述的金刚石-金属复合催化剂。

技术总结本发明提供一种金刚石‑金属复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1提供导电金刚石颗粒作为载体；S2提供铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的合金，或者，提供铂、钌、铱、锇、铁、钴、镍、锡、锑中的一种或多种的氧化物颗粒；将上述金属或金属氧化物担载于所述导电金刚石的表面，得到所述金刚石‑金属复合催化剂。技术研发人员：钟建华,张文英受保护的技术使用者：广州德百顺蓝钻科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/15