[发明专利]一种具有草莓状结构的碳担载IrO2@Ir异质结复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有草莓状结构的碳担载IrOsubgt;2/subgt;@Ir异质结复合催化剂及其制备方法和应用，以铱盐为前驱体，碳材料为载体，采用多巴胺等有机胺类物质作为金属盐的稳定剂、分散剂和锚定剂，通过铱盐与碳载体混合，然后在惰性气氛下热处理处理，利用稳定剂和分散剂对催化剂纳米晶的长大的抑制，形成了具有典型草莓状结构的碳担载超细IrOsubgt;2/subgt;@Ir异质结颗粒的复合催化剂，异质结颗粒的尺寸为5.03 nm左右。该催化剂具有优良的水分解电催化活性，可在电解水槽、一体式可再生燃料电池、可充电锌‑空气电池等装置中作为析氧、析氢反应电极电催化剂应用。

技术领域

本发明属于氢能源应用中的制氢领域，具体涉及一种具有草莓状结构的碳担载IrO2@Ir异质结复合催化剂及其制备方法和应用，特别是一种在电解水、一体式可再生燃料电池等装置中涉及到的氧析出反应和氢析出反应过程的高活性和稳定性的电催化剂。

背景技术

近年来，以氢为燃料的质子交换膜燃料电池由于清洁、能量密度高、能量转化率高等优点，作为一种能源转化装置，是传统化石燃料的最有前景的替代品，因而受到了广泛的关注。目前氢气的主要来源是甲醇重整制氢、化石能源裂解制氢、电解水等方式。其中电解水制氢是制备高纯度氢气的重要来源。对于电解水制氢过程的阴极上的氢析出反应(HER)和阳极上的氧析出反应(OER)，由于受到电极极化的影响，两个反应均具有较高的过电位，因此需要催化剂进行催化，以降低电能损耗。

目前，可同时实现水分解的氧析出反应和氢析出反应过电位的有效催化剂主要是Ru和Ir基催化剂，主要包括铱、钌金属以及他们的氧化物。Ru及其氧化物具有很高的氧析出性能，但是会在使用过程中发生较为严重的溶解，稳定性很差，这限制了钌基催化剂在氧析出电极反应的发展。因此，具有高活性的铱及其氧化物更受到人们的广泛关注。虽然铱可作为极佳的氧析出和氢析出反应的电催化剂，但是铱的储量低，价格昂贵，这也限制了铱基催化剂的发展。此外，在高电位下铱的溶解也仍面临较大的挑战。因此，铱基催化剂的活性和稳定性仍需要通过采取一系列措施以进一步提升它们的性能，以降低在电催化过程中的铱使用量并达到理想的催化效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有草莓状结构的碳担载IrO₂@Ir异质结复合催化剂及其制备方法和应用，本发明以铱盐为前驱体，碳材料为载体，采用多巴胺等有机胺类物质作为金属盐的稳定剂、分散剂和锚定剂，通过铱盐与碳载体混合，然后在惰性气氛下热处理处理，利用稳定剂和分散剂对催化剂纳米晶的长大的抑制，形成了具有典型草莓状结构的碳担载超细IrO₂@Ir异质结颗粒的复合催化剂，异质结颗粒的尺寸为5.03 nm左右，实现复合催化剂的异质成分和特殊结构的设计。该催化剂为能在电解水制氢过程中应用为氢析出催化剂和氧析出催化剂，所制备得到的IrO₂@Ir异质结/碳复合催化剂，IrO₂@Ir异质结颗粒均匀地负载在纳米碳载体表面，化学低配位且处于应力收缩状态的无定形IrO₂层外延生长在金属Ir表面。

为实现发明目的，本发明采用如下技术方案：一种具有草莓状结构的碳担载IrO₂@Ir异质结复合催化剂，所述的复合催化剂为黑色固体粉末，IrO₂@Ir异质结被均匀的负载在碳载体表面，无定形IrO₂层外延在金属Ir表面上，IrO₂层厚度小于1纳米，超薄IrO₂层处于低化学配位和应力收缩状态。

在本发明的优选实施方式中，所述的复合催化剂的负载量为10~80%之间，IrO₂@Ir纳米粒子的粒径范围为3-9 nm。

本发明还保护所述的复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）首先以金属铱盐为前驱体，碳材料为载体，采用有机胺类物质作为金属盐的稳定剂、分散剂和锚定剂，通过溶液分散将铱盐与碳载体充分混合；