一种质子交换膜电解池阳极催化剂及其合成方法与应用与流程

本发明属于质子交换膜(pem)电解池，具体涉及一种质子交换膜电解池阳极催化剂及其合成方法与应用。

背景技术：

1、pem电解池是一种由电能转化为化学能的装置，阳极侧的水通过外电路的电压，在质子交换膜表面与水发生氧化反应生成氧气，即析氧反应(oer)，同时产生的质子或水合质子通过迁移到阴极发生还原反应生成氢气，即析氢反应(her)。这种电解水制备氢气的方法具有响应迅速、电流密度高、与可再生能源很好的自洽、生成的气体纯度高等优点，因而得到社会的广泛关注。

2、目前，膜电极是pem电解池的核心部件之一，膜电极由阴、阳极催化层和质子交换膜组成。由于阳极oer是四电子反应过程，因此动力学缓慢，导致阳极电压较高，这也成为了pem电解池的技术瓶颈。常用的pem电解水阳极催化剂包括氧化铱和氧化钌，由于氧化钌的稳定性欠佳，因此目前的商业催化剂通常使用氧化铱。氧化铱的丰度非常小，导致其价格昂贵，这也是限制pem电解池商业化的一个重要因素。因此，阳极催化剂的oer活性极其重要，只有制备出粒径较小且容易分散的催化剂才能增加比表面积，暴露出更多的活性位点，发挥催化剂的本征活性，对整个pem电解池的电位起着关键作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种质子交换膜电解池阳极催化剂及其合成方法与应用。本发明的目的是针对质子交换膜电解水阳极催化剂，提出一种高活性、且容易分散的合成方法，不仅能够得到均一、粒径小、本征活性高的氧化铱催化剂，同时方法简单，成本低廉。

2、为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种质子交换膜电解池阳极催化剂的合成方法，包括以下步骤：

4、步骤s1、将铱前驱体加入到去离子水和小分子溶剂的混合物中，得到铱前驱体溶液；

5、步骤s2、向步骤s1的铱前驱体溶液中加入一定量的碱性物质，调节ph值至8-14，加热至50-100℃并搅拌均匀；

6、步骤s3、将步骤s2中的混合物烘干，并放入马弗炉中进行煅烧；

7、步骤s4、将步骤s3得到的固体反复洗涤多次，烘干得到氧化铱催化剂。

8、进一步地，所述小分子溶剂包括乙醇、异丙醇、乙酸、乙二醇及正丙醇中的一种或几种；

9、所述小分子溶剂在步骤s1的溶剂中的体积含量为10-30％。

10、进一步地，步骤s3中，烘干的时间是3-10h，煅烧的温度是200-600℃，煅烧时间是0.5-3h。

11、进一步地，所述碱性物质包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的一种或几种。

12、第二方面，本发明实施例提供了一种质子交换膜电解池阳极催化剂，采用第一方面所述的合成方法制得。

13、第三方面，本发明实施例提供了第二方面所述的催化剂在质子交换膜电解池阳极中的应用。

14、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

15、(1)本发明对氧化铱催化剂的合成过程进行了优化：通过调控碱液与氯铱酸钠反应的条件，包括投料比、溶剂组成、反应温度等，提高了氧化铱催化剂的分散性和电解水活性，降低了成本。这种优化是为了克服氧化铱这类昂贵材料的稀缺性和高价位，从而推动质子交换膜电解池技术的商业化进程。

16、(2)本发明对反应温度进行了优化：本申请在水中加入小分子溶剂后，可以提升催化剂的反应温度，提升催化剂分散性。

17、(3)对于催化剂粒径的控制：不同的溶剂对制备的催化剂粒径有不同的影响。

18、(4)对于催化剂收率的影响：当反应温度提升后，对催化剂的收率也有一定的提升。

19、(5)对于溶剂的研究：除了水之外加入乙醇、异丙醇、乙酸、乙二醇、正丙醇中一种或几种的溶剂，在催化剂合成过程中发现了对提升催化剂活性、反应效率和分散性等方面的影响，这种思路可能为未来改进其他催化剂合成过程提供了新的方向和参考。

20、(6)提升催化剂的oer活性：通过制备出粒径较小且容易分散的催化剂，增加了催化剂的比表面积，暴露更多的活性位点，从而发挥催化剂的本征活性。这种方法对于克服oer动力学缓慢的问题，降低阳极电压，具有重要作用。

21、总体而言，这些创新性的做法和研究方向为解决质子交换膜电解池技术中的关键问题提供了新的思路和途径，有望推动该领域的科学研究和技术发展。

技术特征：

1.一种质子交换膜电解池阳极催化剂的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的质子交换膜电解池阳极催化剂的合成方法，其特征在于，所述小分子溶剂包括乙醇、异丙醇、乙酸、乙二醇及正丙醇中的一种或几种；

3.根据权利要求1所述的质子交换膜电解池阳极催化剂的合成方法，其特征在于，步骤s3中，烘干的时间是3-10 h，煅烧的温度是200-600℃，煅烧时间是0.5-3 h。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜电解池阳极催化剂的合成方法，其特征在于，所述碱性物质包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的一种或几种。

5.一种质子交换膜电解池阳极催化剂，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的合成方法制得。

6.权利要求5所述的催化剂在质子交换膜电解池阳极中的应用。

技术总结本发明属于质子交换膜电解池技术领域，具体涉及一种质子交换膜电解池阳极催化剂及其合成方法与应用。本发明质子交换膜电解池阳极催化剂的合成方法，包括以下步骤：步骤S1、将铱前驱体加入到去离子水和小分子溶剂的混合物中，得到铱前驱体溶液；步骤S2、向步骤S1的铱前驱体溶液中加入一定量的碱性物质，调节pH值至8‑14，加热至50‑100℃并搅拌均匀；步骤S3、将步骤S2中的混合物烘干，并放入马弗炉中进行煅烧；步骤S4、将步骤S3得到的固体反复洗涤多次，烘干得到氧化铱催化剂。本发明通过调控碱液与氯铱酸钠反应的条件，如投料比、溶剂组成、反应温度等，提高了氧化铱催化剂的分散性和电解水活性，降低了成本。技术研发人员：高红梅,张义煌,包喆宇受保护的技术使用者：无锡威孚高科技集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/18