一种过渡金属氧化物纳米颗粒及其制备方法和应用

本发明涉及电解水制氢，具体涉及一种过渡金属氧化物纳米颗粒及其制备方法和应用。

背景技术：

1、质子交换膜电解水(pemwe)制氢技术是一种采用质子交换膜电解池进行电解水制氢的技术，其与碱性电解水制氢技术相比具有离子电导率高、欧姆消耗低、副反应少、气体分离性能好、系统设计紧凑等优点，具有更好的实际应用前景。质子交换膜电解池主要由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成的膜电极、双极板和密封圈、防护片、端板等组成，其中的催化剂会直接影响电解水制氢的效率。

2、ir基催化剂具有良好的稳定性，其能够在强酸和强氧化环境中催化电解水析氧反应(oer)的进行，具有十分广阔的应用前景。然而，目前通过溶胶-凝胶法、模板法、多元醇还原法、adams熔融法和水热法等合成的ir基催化剂普遍存在尺寸偏大、活性位点较少、催化活性偏低的问题，尚难以完全满足实际应用要求。

3、因此，开发一种尺寸小、活性位点丰富、催化活性高的ir基催化剂具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种过渡金属氧化物纳米颗粒及其制备方法和应用。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种过渡金属氧化物纳米颗粒，其组成包括锰或/和钴的氧化物纳米颗粒以及原位生长在锰或/和钴的氧化物纳米颗粒表面的氧化铱纳米颗粒；所述锰或/和钴的氧化物纳米颗粒的组成包括锰的氧化物、钴的氧化物中的至少一种。

4、优选地，所述过渡金属氧化物纳米颗粒的粒径为1nm～3nm。

5、优选地，所述锰或/和钴的氧化物纳米颗粒的粒径为0.5nm～1.5nm。

6、优选地，所述氧化铱纳米颗粒的粒径为0.5nm～1.5nm。

7、优选地，所述锰的氧化物为mno2、mn2o3中的至少一种。

8、优选地，所述钴的氧化物为co2o3、co3o4中的至少一种。

9、一种如上所述的过渡金属氧化物纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：

10、1)将锰盐或/和钴盐、尿素和水混合进行水解反应，得到锰或/和钴的氢氧化物悬浊液；

11、2)将铱盐加入锰或/和钴的氢氧化物悬浊液中进行水解反应，再分离出固体产物后进行干燥，得到负载有氢氧化铱的锰或/和钴的氢氧化物；

12、3)将负载有氢氧化铱的锰或/和钴的氢氧化物置于含氧气氛中进行煅烧，再对煅烧产物进行水洗和干燥，即得过渡金属氧化物纳米颗粒。

13、优选地，所述锰盐或/和钴盐、尿素的摩尔比为1:5～30。

14、优选地，所述锰盐或/和钴盐、铱盐的摩尔比为0.1～0.5:1。

15、优选地，步骤1)所述锰盐为mncl2、mn(no3)2中的至少一种。

16、优选地，步骤1)所述钴盐为cocl2、co(no3)2中的至少一种。

17、优选地，步骤1)所述水解反应在温度为85℃～95℃的条件下进行，反应时间为40min～80min。

18、优选地，步骤2)所述铱盐为ircl3、h2ircl6、ircl4中的至少一种。

19、优选地，步骤2)所述水解反应在温度为5℃～10℃、反应液的ph值为7～9的条件下进行，反应时间为20min～40min。水解反应过程中，通过控制反应温度和反应液的ph值可以控制氢氧化铱生成的反应速率，进而可以控制其产生的粒子大小，使得整体粒子粒径更小且更均匀。

20、优选地，步骤3)所述含氧气氛为空气气氛。

21、优选地，步骤3)所述煅烧的具体操作为：先控制升温速率为1℃/min～3℃/min从室温(25℃±5℃)升温至200℃～500℃，再保温1h～4h。

22、一种析氧反应催化剂，其包含上述过渡金属氧化物纳米颗粒。

23、一种如上所述的过渡金属氧化物纳米颗粒在电解水制氢中的应用。

24、本发明的有益效果是：本发明的过渡金属氧化物纳米颗粒具有尺寸小、颗粒大小均匀、比表面积大、活性位点丰富、催化活性高、导电性好、耐腐蚀性强、铱的用量小、铱的利用率高等优点，且其制备方法简单，可以用作电解水制氢的析氧反应催化剂，适合进行大规模工业化应用。

25、具体来说：

26、1)本发明采用尿素热分解来促进锰离子或/和钴离子水解为锰或/和钴的氢氧化物胶体，为后续氢氧化铱的形成提供了载体，从而可以形成粒径更加均匀、粒径更小的纳米粒子，最终具有更加优异的催化活性；

27、2)本发明利用过渡金属锰或/和钴对氧化铱进行掺杂，不仅可以提高催化剂的催化活性，而且还能够有效提高催化剂在高电位下的稳定性。

技术特征：

1.一种过渡金属氧化物纳米颗粒，其特征在于，组成包括锰或/和钴的氧化物纳米颗粒以及原位生长在锰或/和钴的氧化物纳米颗粒表面的氧化铱纳米颗粒；所述锰或/和钴的氧化物纳米颗粒的组成包括锰的氧化物、钴的氧化物中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的过渡金属氧化物纳米颗粒，其特征在于：所述过渡金属氧化物纳米颗粒的粒径为1nm～3nm。

3.根据权利要求2所述的过渡金属氧化物纳米颗粒，其特征在于：所述锰或/和钴的氧化物纳米颗粒的粒径为0.5nm～1.5nm；所述氧化铱纳米颗粒的粒径为0.5nm～1.5nm。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的过渡金属氧化物纳米颗粒，其特征在于：所述锰的氧化物为mno2、mn2o3中的至少一种；所述钴的氧化物为co2o3、co3o4中的至少一种。

5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的过渡金属氧化物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述锰盐或/和钴盐、尿素的摩尔比为1:5～30；所述锰盐或/和钴盐、铱盐的摩尔比为0.1～0.5:1。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述锰盐为mncl2、mn(no3)2中的至少一种；步骤1)所述钴盐为cocl2、co(no3)2中的至少一种；步骤2)所述铱盐为ircl3、h2ircl6、ircl4中的至少一种。

8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述水解反应在温度为85℃～95℃的条件下进行，反应时间为40min～80min；步骤2)所述水解反应在温度为5℃～10℃、反应液的ph值为7～9的条件下进行，反应时间为20min～40min；步骤3)所述煅烧的具体操作为：先控制升温速率为1℃/min～3℃/min从室温升温至200℃～500℃，再保温1h～4h。

9.一种析氧反应催化剂，其特征在于，包含权利要求1～4中任意一项所述的过渡金属氧化物纳米颗粒。

10.一种如权利要求1～4中任意一项所述的过渡金属氧化物纳米颗粒在电解水制氢中的应用。

技术总结本发明公开了一种过渡金属氧化物纳米颗粒及其制备方法和应用。本发明的过渡金属氧化物纳米颗粒的组成包括锰或/和钴的氧化物纳米颗粒以及原位生长在锰或/和钴的氧化物纳米颗粒表面的氧化铱纳米颗粒，锰或/和钴的氧化物纳米颗粒的组成包括锰的氧化物、钴的氧化物中的至少一种。本发明的过渡金属氧化物纳米颗粒具有尺寸小、颗粒大小均匀、比表面积大、活性位点丰富、催化活性高、导电性好、耐腐蚀性强、铱的用量小、铱的利用率高等优点，且其制备方法简单，可以用作电解水制氢的析氧反应催化剂，适合进行大规模工业化应用。技术研发人员：曾建皇,吴磊受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15