[发明专利]铱钨合金纳米材料、其制备方法及作为酸性析氧反应电催化剂的应用

说明书

本发明公开了一种铱钨合金纳米材料及其制备方法和作为酸性析氧反应催化剂的应用，本发明通过水热反应将掺有铱的氧化钨纳米线中间体直接负载在碳布上，并通过高温还原得到了铱钨合金纳米材料。所获得的纳米材料负载在碳布上，可直接作为电解池的电极使用，避免了因粘结剂的使用造成的扩散速率慢和导电性差等问题。相较于传统IrO₂催化剂，本发明选用含量丰富，价格低廉同时抗酸腐蚀的金属钨作为主体结构，大幅减少了贵金属铱的用量，降低了成本。与商用IrO₂相比，该合金材料拥有更高的OER活性和稳定性，具有较高的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及材料化学及电催化技术领域，尤其涉及一种铱钨合金纳米材料、其制备方法及作为酸性析氧反应电催化剂的应用。

背景技术

电催化是一种前景广阔的能源转化技术，可将储存困难的电能转换为其他形式的能量，如电催化水分解产生洁净的氢能源，电催化二氧化碳还原(CO₂RR)产生碳能源等。在这些反应中，析氧反应(OER)发挥着重要的作用。以水分解反应为例，该反应可以分为阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)两个半反应，其中OER过程涉及四电子传递过程，动力学缓慢，通常具有较高的过电位，因此极大的限制了水分解的效率。另外，现有电催化体系基本为水体系，所以发展一种高效、稳定的OER催化剂，有利于多种水系催化分解反应的进行，实现能源高效存储和清洁转化。

在众多电解水技术中，质子交换膜系统(proton exchange membrane,PEM)因其高效的传质效率、产品纯度高、污染低等优点广泛应用于电催化反应中，是目前可行的大规模电解水技术之一，但是，质子交换膜局限于酸性介质中使用。此外，由于酸性介质中催化剂材料会发生腐蚀，导致其稳定性和活性显著降低，故而现有OER研究和技术发展主要集中在碱性介质中催化剂的研究。因此，发展一种高效的在酸性环境中稳定工作的OER催化剂对PEM电解水制氢领域具有重大的意义。

目前的研究表明，酸性OER催化剂中能够稳定催化分解水的材料只有二氧化铱(IrO₂)及其衍生材料。然而，IrO₂体系用于酸性OER仍然存在明显的弊端：稳定性较强，但是其活性相对较差；同时，铱作为贵金属，其价格昂贵，不利于大规模开发。因此，对铱基OER催化剂的开发而言，提高催化剂活性和降低铱的用量甚至寻找铱的低价替代品具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种铱钨合金纳米材料、其制备方法及作为酸性析氧反应电催化剂的应用，减少了贵金属铱的用量，且获得了更高的OER活性和稳定性。

为达到上述目的，采取的技术方案如下：

1、本发明提供了一种铱钨合金纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

将钨源溶液依次与弱酸、铱源与铵盐混合均匀，加入载体后通过高温高压水热反应制备氧化物纳米线中间体，所得的氧化物纳米线中间体在还原气氛下高温还原，得到铱钨合金纳米材料。

本发明优选的，所述钨源溶液中的钨源化合物选自包括钨酸根的碱金属盐、碱土金属盐或铵盐中的一种或几种；其中，所述钨酸根在钨源溶液中的浓度为0.01～0.03mol/L，进一步优选为0.012～0.013mol/L。

本发明优选的，所述钨源化合物选自钨酸钠、钨酸钙、钨酸铵中的一种或多种。

本发明优选的，所述钨源溶液的pH应调至1～4，进一步优选为2.5～3.2。

本发明优选的，所述弱酸选自乙酸，草酸，次磷酸中的一种或几种。其中，所述弱酸在钨源溶液中的浓度优选为0.03～0.1mol/L，进一步优选为0.035～0.045mol/L；更优选为0.035～0.04mol/L。

本发明优选的，所述铱源选自氯铱酸、氯铱酸铵、氯铱酸钠中的一种或几种。