[发明专利]一种IrOx

说明书

本发明公开了一种IrOsubgt;x/subgt;@Ir复合铱基催化剂及其制备方法，该复合铱基催化剂是由无定形IrOsubgt;x/subgt;颗粒以及均匀包覆在IrOsubgt;x/subgt;颗粒表面的单质铱构成的纳米颗粒；且所述纳米颗粒的粒径为3‑6nm；所述纳米颗粒中铱元素的质量百分数为85.75‑97.8%；该复合铱基催化剂具有更小的粒径，且是由无定型IrOsubgt;x/subgt;颗粒和铱单质组成，即具有无定型IrOsubgt;x/subgt;颗粒的高活性，又具有铱单质的稳定性，从而使复合铱基催化剂具有了优异的活性和稳定性，更适合大规模应用于PEM电解槽中，对PEM电解槽的广泛应用和工业化生产，具有积极作用。

技术领域

本发明涉及催化材料领域，具体涉及氢能源制氢催化剂领域，特别涉及一种IrO_x@Ir复合铱基催化剂及其制备方法。

背景技术

由于化石燃料的不可持续性和二氧化碳的高排放量，注定其在全球能源系统中的主导地位终将被可再生能源（太阳能、风能、水能、潮汐能等）逐渐取代。目前，这些可再生能源通过某些特定的方法和设备（光伏组件、涡轮机等）转化成电能，然后应用于日常生活和工业中。但是这些可再生能源具有间歇性和地域限制性，人们迫切地需要一种能源载体，用于可再生能源的存储和运输，以灵活地（随时随地）满足人类社会的能源需求。氢气是一种能量密度高、来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择。氢气作为一种能量载体，不能直接取自自然界，只能由一次能源（原煤、原油、天然气、太阳能、水利等）加工转换后得到。目前，我国氢气的主要制备方法是通过化石能源重整制氢，但是该方法制氢碳排放量较高（22-35 kgCO₂/kgH₂），随着环境要求愈加苛刻和化石燃料所占比重的减少，化石能源重整制氢技术也将逐渐被电解水制氢取代。

根据工作原理和结构的差异，水电解槽可分为四大类：质子交换膜水电解槽（PEM）、碱性水电解槽（AE）、固体氧化物电解槽（SOEC）和碱性阴离子交换膜电解槽(AEM)。其中，因PEM电解槽系统紧凑（电解槽体积小）、运行灵活（能快速启停和变载）、电流密度大，使其更适合与波动性的可再生能源（光伏发电装置等）联用。目前，大量人员致力于以合理的成本开发高性能、长寿命的PEM水电解槽。PEM水电解槽的主要部件包括膜电极组件（MEA）、气体扩散层（GDL）和带有流道的双极板（BPP）。MEA是PEM水电解槽的核心反应区，GDL与BPP一起负责输送电流、水和气体产物（如H₂和O₂）。MEA由质子交换膜和阳极、阴极电催化剂组成，其中质子交换膜作为电解质和隔膜，以分离电解槽的阳极和阴极部件。强酸性和高电位的阳极析氧反应（OER），限制了大量催化剂的使用，只有贵金属铱（Ir）基催化材料，在商用PEM水电解槽中表现出可接受的催化活性和稳定性。同时，对于商业电解槽的阳极析氧反应，至少需要2 mg_Ir/cm²铱基催化剂负载量才能促进OER达到必要的反应速率。

经长期实验和应用发现，将粉体铱基电催化剂采用超声喷涂、转印法等技术间接负载于质子交换膜表面后用于制备面积较大的膜电极，更有利于工业生产和应用，因此，粉体铱基电催化剂材料具有更好的应用前景。现今，粉体铱基催化剂的制备方法主要有：Adams焙烧法、溶胶-凝胶法、模板法、水热法和热解法等。但众多的制备方法中，Adams焙烧法存在制备过程中颗粒易团聚和烧结温度高（焙烧温度≥500℃）的问题，限制了其更为广泛的应用；溶胶-凝胶法虽然焙烧条件温和并可以有效的抑制颗粒的团聚，但是却难以形成规整的功能性结构体或者分散均一的纳米颗粒，同时存在反应条件苛刻、产率低等缺点，也不利于工业化放大生产；模板法虽然可以有效防止制备过程中的贵金属颗粒的团聚并形成规整形貌的功能性结构，但制备工艺复杂（刻蚀模板剂），同样不利于工业批量生产；水热法通常与模板法联用，虽然能制备结构完整的氧化铱（或铱），但其制备的产物晶粒较大且固含量较低（生产效率低）；热解法虽然可以制备氧化铱或金属铱催化剂，且制备工艺简单，但产率较低，且存在颗粒易团聚和烧结温度较高的不足，限制了其广泛的应用。