[发明专利]一种PEM水电解用催化剂、制备方法及其用途

说明书

本发明涉及一种PEM水电解用催化剂、制备方法及其用途。所述PEM水电解用催化剂，包括：载体以及活性成分，所述载体选自球形或介孔载体，球形载体的粒径为10～500nm，介孔载体的孔径为5～500nm，所述活性成分为纳米氧化铱，以催化剂的质量为100％计，载体的质量为20％‑80％，活性成分的质量为80％‑20％。本发明通过将纳米氧化铱负载到耐氧化、高导电性的纳米载体上，可以实现贵金属铱的高度分散，提升催化剂的利用率、活性和稳定性。因此，本发明通过提升贵金属的使用效率和寿命、降低贵金属的用量可以最终实现降低PEM电解水系统的整体成本并提升寿命的目的。

技术领域

本发明涉及水电解技术领域，具体涉及一种PEM水电解用催化剂、制备方法及其用途。

背景技术

质子交换膜(PEM)电解水的特点是电流密度高、产氢高纯度、响应快且可直接输出高压氢气。当与太阳能、风能和水力发电等可再生能源相结合时，水电解是一种可行的制氢方法。

PEM水电解制氢的瓶颈之一在于成本和寿命。在电解槽的成本来源中，铂系贵金属催化剂约占整个电解槽的成本的10％以上。相比可通过产业化降低质子交换膜、钛流场板等部件的材料成本，作为贵金属铂和铱的催化剂的成本会一定程度因为使用量的增加会显著的增长。

此外，缓慢的析氧反应(OER)是PEM水电解槽的瓶颈反应，也是决定了电解水的整体效率的重要环节。目前，相较于阴极用铂碳催化剂的析氢反应(HER)，OER需要更多的贵金属催化剂来促进，迄今为止只有氧化铱能满足阳极OER高电位强氧化的条件。铱是地壳中含量最少的元素之一，在地壳岩石中的平均质量分数约为0.001ppm。相比之下，铂(0.005ppm)的含量是铱的5倍。此外，铱的产量(9000公斤/年)只有铂产量的4.5％，而且铱的价格也比的Pt高两倍。在商业PEM电解槽中Ir基催化剂的使用量为2-4mgcm^-2。尽管酸性OER的催化材料种类繁多，包括贵金属基催化剂(Ru、Ir、Pd、Rh和Pt等)和非贵金属基催化剂(Co、Ni、Fe、Mn和Mo物种等)。受限于PEM水电解制氢的酸性环境、阳极高电位、良好导电性等要求，只有铱基催化剂可以在一定程度上平衡OER催化剂的活性和稳定性。非贵金属催化剂或非金属催化剂的研发难度较大，预计一定时期内实际用于大规模电解槽的催化剂仍以Ir为主。可以预期，PEM水电解槽进入市场的更高渗透率将大大加剧Ir的需求和价格。

因此降低阴、阳极电催化剂的贵金属载量，提高电解槽的效率和寿命，是PEM水电解制氢技术发展的研究重点。

事实上，负载型电催化剂可以显著增强活性相的分散，提供高表面积和大量用于析氧反应的催化位点。通过催化剂-载体相互作用可以发挥载体在活性和稳定性方面的协同作用。高度分散的碳负载纳米铂粒子(Pt/C)是PEM水电解槽阴极的主要电催化剂。

因此，提供低贵金属负载量的PEM水电解阳极催化剂，具有建设性意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有催化剂的贵金属负载量高，导致催化剂使用效率低、成本高以及寿命低的缺陷，从而提供一种PEM水电解用催化剂、制备方法及其用途。

目前PEM水电解阳极使用的催化剂的活性成分是纯氧化铱，根据阴极铂催化剂通过负载在碳黑上来增加铂的分散性和利用率的方法，可以添加一定的载体材料降低氧化铱的用量。阳极的高酸和高氧化性要求载体必须满足以下的必要条件：耐酸性、电化学稳定性、高电导率、高表面积和增强活性相分散的能力。所述条件限制了用于析氧反应的负载型电催化剂的发展。大多数过渡金属氧化物如Ni、Co和Mn，在这些条件下会发生腐蚀，而且这些金属的阳离子通过交换磺酸基使膜中毒，从而降低膜的电导率。析氧电位高于几乎所有固体材料的标准电位，因此，现有阳极使用的催化剂不能使用常见载体。本发明的发明人发现，采用特定的载体与纳米氧化铱，所得到的催化剂的贵金属负载量低，能有效降低PEM水电解成本并提高使用寿命。