[发明专利]铱基固溶体钙钛矿催化剂SrTi(Ir)O3

说明书

一种铱基固溶体钙钛矿催化剂SrTi(Ir)O₃及其在电催化水裂解产氧中的应用，属于无机功能材料领域。是将锶源、有机多元酸、钛源、铱源、有机多元醇和水在不同比例下水浴混合均匀，加热蒸干水分后充分煅烧，最后酸处理得到了不同铱含量的固溶体钙钛矿催化剂SrTi(Ir)O₃。使用经典钙钛矿SrTiO₃诱导SrIrO₃合成，在增大SrIrO₃比表面积的同时，更大程度地降低了体系中铱贵金属的用量。同时，B位的钛能够使其余B位的活性位点铱的氧吸附能减弱，也能使氧的p带中心更接近费米能级，最终使该催化剂电催化酸性水氧化的性能得到提升。其中电催化酸性水氧化活性最好的为SrTi(Ir)O₃(Ir‑29％)，仅需248mV的过电势，电流密度即可达到10mA/cm²。

技术领域

本发明属于无机功能材料领域，具体涉及一种铱基固溶体钙钛矿催化剂及其在电催化水裂解产氧中的应用。

背景技术

步入二十一世纪后，环境污染与能源危机成为全人类面临的两大难题，因此，发展能源存储方式与研究其转换过程成为了开发清洁可再生能源的关键。产氧反应 (OER)是水裂解反应中一个重要的半反应，但其缓慢的反应动力学极大地阻碍了它的广泛应用。通常需要在较大的过电势下才能够达到预期的电流密度，这也导致了水裂解整体效率的严重损失，而在酸性水裂解体系中，这一问题尤为凸显。同时，在酸性介质中的氧化条件下，大部分具有产氧活性的化合物都不能稳定存在。目前，人们普遍接受的酸性电催化产氧催化剂多为贵金属氧化物，例如IrO₂，RuO₂等，但其稀有的资源与昂贵的成本极大地限制了贵金属氧化物的开发与利用，这也促使人们不断寻找能够降低成本的酸性水氧化催化材料。

钙钛矿型复合氧化物近几年活跃于各个研究领域，而它在催化领域的飞速发展更是备受瞩目。钙钛矿型复合氧化物的结构通常用ABO₃表示，A离子通常为半径较大的碱金属或碱土金属，与12个氧配位，极大地稳定了钙钛矿的结构。B离子一般为半径较小的过渡金属，与6个氧配位，形成BO₆八面体。在催化过程中， B位承担着主要的催化作用。近几年钙钛矿类催化剂因其多变性与稳定性，成为了的电催化水裂解研究方向的佼佼者。例如，在酸性水氧化催化反应中，IrO_x/SrIrO₃ (Science 2016年353卷1011页)具有高本征活性。不过，钙钛矿SrIrO₃并非SrIrO₃的最稳定晶相，其介稳性为它的合成带来了极大挑战，通常要采用高温高压合成与模板延展生长的方法才能合成出钙钛矿SrIrO₃纯相。同时，SrIrO₃中Ir的用量有待进一步降低的可能。针对上述问题，我们想到利用经典钙钛矿SrTiO₃诱导钙钛矿SrIrO₃生长，使其在常压(101.325kPa)与较低温度(600℃)下即可形成，极大地提高了其结构稳定性，更降低了催化剂中贵金属的含量。在测试其催化活性的过程中，我们发现所形成的铱基固溶体钙钛矿在催化酸性水氧化方面有极高的活性与稳定性，实现了成本与活性的双赢，具有广阔的发展前景。

发明内容