[发明专利]用于PEM电解水阳极的无定形铱锰二元催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及PEM电解水制氢技术，旨在提供一种用于PEM电解水阳极的无定形铱锰二元催化剂的制备方法。包括：将四氯化铱水合物、锰盐和硝酸钠在溶剂中分散、混合均匀，蒸干后恒温煅烧；在酸液中超声处理后洗涤，收集黑色沉淀物，干燥、研磨后得到无定形铱锰二元催化剂。本发明提供的催化剂为无定形结构，其中铱锰元素以分散良好的氧化物形式存在；具有低结晶度、粒子尺寸小和分布均匀，极大的比表面积和分散良好的缺陷活性位点。在酸性条件下对催化析氧反应表现出优异的活性，同时在强酸性环境和高阳极电位下表现出良好的稳定性，相比于商业IrO₂催化剂有更高的催化活性和更好的稳定性，且贵金属铱的用量掺入明显降低。

技术领域

本发明涉及PEM电解水制氢技术，具体涉及一种用于酸性条件下催化析氧反应的高效稳定的无定形铱锰二元金属氧化物催化剂及其制备方法。

背景技术

氢能作为一种能源载体，具有来源多样、资源丰富、可储存、可再生和高效环保的特点，近年来受到人们的广泛关注，并将打造“氢能社会”、“氢能经济”作为战略目标，布局筹划氢能产业。目前主要的制氢方法有：化石能源制氢、生物质制氢和水制氢，其中大约96％的氢气来源于化石燃料制氢。由于化石能源制氢需要依赖化石燃料，制取的氢气纯度较低，而且会伴随大量气态污染物的产生，迫切需要开发一种绿色、可持续的制氢技术。

当前，来自可再生风能和太阳能的电力在全球能源基础设施中所占的比例越来越大，基于风能和太阳能不可连续获取的特点，通过电化学水分解将电能转化为氢能有望成为一种有效的储能方式，且由于水资源储量丰富，电解水制氢技术在未来将是推动氢能发展的主力军。电解水制氢可以分为三大类：质子交换膜(PEM)水电解槽、碱性水电解槽(AWE)和固体氧化物电解槽(SOE)。与目前技术比较成熟的使用隔膜的碱性电解槽系统相比，PEM电解槽具有低欧姆损耗、高电流密度、高效率、高气体纯度、系统紧凑、快速响应和大负荷范围等优点，被认为是最有前途的制氢技术。

PEM电解水通过电流将水分解为氢气和氧气，包括两个半电池反应过程：

阳极-析氧反应(OER)：2H₂O(l)→O₂(g)+4H⁺+4e^-

阴极-析氢反应(HER)：2H⁺+2e^-→H₂(g)

理想情况下，PEM水电解槽的阳极和阴极之间需要1.23V的电位差，以推动水分解反应的发生。然而在实际电解过程中，酸性条件下析氧反应的缓慢动力学是一个巨大的阻碍，阳极发生四电子转移，这意味着需要更高的电压来使反应发生，电解效率将大为降低。为了提高水分解效率，需要开发有效的催化剂来降低阳极析氧反应的过电位。但是，大多数金属元素不能承受强酸性环境和高阳极电位，在反应中容易发生溶解或氧化而失活，适用于酸性OER电催化剂的选择较少。最常见的有RuO₂和IrO₂催化剂，与IrO₂相比，RuO₂的催化活性较高但稳定性较差，在高电位下容易形成RuO₄，从而溶解在溶液中。IrO₂在酸性条件下具有良好的活性和稳定性，但Ir金属元素的地球丰度低，成本昂贵，为了提高PEM电解水制氢技术在商业应用中的竞争性，必须大幅提高Ir基催化剂的OER催化活性和稳定性，同时尽可能降低贵金属Ir元素的用量，从而降低PEM制氢技术成本。

因此，开发高效稳定且经济性良好的的酸性OER催化剂成为当前亟需解决的关键问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种用于PEM电解水阳极的无定形铱锰二元催化剂的制备方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于PEM电解水阳极的无定形铱锰二元催化剂的制备方法，包括以下步骤：