[发明专利]一种高效晶界催化剂的制备方法及其质子交换膜电解槽应用

说明书

本发明公开了一种高效晶界催化剂的制备方法及其质子交换膜电解槽应用。该方法利用快速升温和快速降温的方法，制备了具有富含众多晶界的催化剂。通过控制升温速率、降温速率，以及加入金属离子种类，可以有效制备不同金属组分的晶界催化剂。所制备的催化剂可以作为电催化析氧催化剂或作为质子交换膜电解槽阳极催化剂应用于电分解水。以制备的Ta_0.1Tm_0.1Ir_0.8O_2‑δ(2‑δ是为了各个元素在化合物中电荷平衡)为例，其在酸性环境下具有优异的析氧性能(η₁₀＝198mV)和稳定性(+10mA·cm^–2密度下可以稳定500小时)，作为质子交换膜电解槽的阳极催化剂，在负载量仅为0.2mg cm^–2，反应温度为50℃条件下，达到1.5A·cm^–2的偏压仅为1.868V。并且，在1.5A·cm^–2条件下可以稳定运行500小时。

技术领域

本发明涉及电化学电解水技术领域，尤其涉及富含晶界的多金属催化剂的制备方法及其高效质子交换膜电解槽电解水的应用。

背景技术

利用潜在的技术来存储和运输可再生能源对于使用太阳能或风能的燃料生产非常重要。与传统的碱性电解槽相比，通过质子交换膜(Proton exchange membrane，PEM)电解槽在酸性电解液中电解水制氢，由于具有更低的电阻损耗，以及较高的产品选择透过性，可以实现更高的电流密度。电解水分解效率主要取决于析氧反应(OER)，由于析氧反应是一个4电子转移过程，涉及多个氧中间体，因此会导致较高的过电势。减少贵金属催化剂的使用，将使PEM电解水技术在商业产氢市场上更具竞争力，在该市场中IrO_x是唯一已知的实用和工业阳极电催化剂。但是，目前商用PEM电解槽中的IrO_x阳极催化剂的质量活性较低，无法满足在商业电流密度下的高性能和高稳定性的要求。

几十年来的研究表明，OER活性可以由催化剂活性位点与氧中间体OH*到O*的自由能(ΔGO)来预示，这与铱活性位点的电子结构密切相关。表面修饰工程可以通过调节M–O(M代表金属)键，有效增强纳米催化剂活性，因为催化性能与催化剂表面的应变情况息息相关。但是，在高度氧化和强腐蚀性酸性环境下，无序纳米结构催化剂在析氧反应过程中很容易溶解或氧化，导致催化剂的活性急剧下降。通常，通过层错运动产生具有细晶界(GB)的催化剂可以提高催化剂的催化活性，因为催化剂表面的晶界可以灵活地调控应变以优化催化效果。除此之外，由于晶界使得催化剂具有良好的可逆恢复能力，避免了M–O键的断裂，从而赋予催化剂良好的稳定性。此外，将杂原子掺入IrO_x中，例如：多金属氧化物和钙钛矿氧化物，已被认为是调整活性位点电子结构，增强析氧反应活性的有效策略之一。到目前为止，通过快速升温和快速降温方法，制备高活性和稳定性的多晶界的多元Ir基催化剂尚未报道。

发明内容

本发明所要解决的问题就是提供一种制备富含众多晶界催化剂的方法，实现多金属催化剂对其组分和表面结构的调控，并通过合成具有晶界的三元 Ta_0.1Tm_0.1Ir_0.8O_2-δ纳米颗粒催化剂，提高电催化析氧性能，实现作为阳极催化剂，在质子交换膜电解槽电解水的应用，并为其他具有表面结构的多金属纳米催化剂制备提供一种好的思路和方法。

为了实现上述目的，本发明主要采用如下技术方案，

本发明首先提供了一种高效晶界催化剂的制备方法，其包括如下步骤：

1)将表面活性剂均匀分散在溶液中，将金属盐分散在具有表面活性剂的溶液中，得到金属前驱体溶液；

2)将金属前驱体溶液蒸干，得到反应金属前驱体；

3)金属前驱体送入已经升温至所需温度的高温区；当达到反应时间以后，直接将反应物与降温物质接触快速冷却，得到具有众多晶界的多金属催化剂。