[发明专利]一种高导电性的Ir@TiO2

说明书

一种高导电性、高活性的Ir@TiOsubgt;2/subgt;阳极催化剂、制备方法及其在质子交换膜电解槽中的应用，属于无机功能催化材料技术领域。本发明是在室温下将铱源和钛源混合，加入还原剂二硼化镁，二硼化镁和铱源的质量比为2：1，钛源和铱源的质量比为1～100：1；然后置于高温高压反应釜中，在80～200℃下反应10min～4h，降至室温后得到高导电性、高活性且易放大的Ir@TiOsubgt;2/subgt;阳极催化剂。将所得到的Ir@TiOsubgt;2/subgt;阳极催化剂分散在体积比为1：1的水和乙醇的混合溶液中，制备成浆料，通过涂布手段制备成膜电极并组装于PEM电解槽中，在铱载量为0.5mg/cmsupgt;2/supgt;时，依然保持高的活性和稳定性。

技术领域

本发明属于无机功能催化材料技术领域，具体涉及一种高导电性、高活性的Ir@TiO₂阳极催化剂、制备方法及其在质子交换膜(PEM)电解槽中的应用。

背景技术

近年来，化石能源的消耗和温室气体的排放加剧了能源危机和气候变化，以化石燃料为导向的能源系统已然不能满足可持续发展的要求。氢气具有热值高、能量密度大、环境友好等优点，是缓解能源问题的重要载体。耦合可再生电能与水，实现零碳排放的“绿氢”制备是当下氢能行业发展的主流。目前，已报道过的水裂解技术手段中，质子交换膜(PEM)电解水技术因其电流密度大、产品纯度高等优势成为人们关注的焦点。更重要地是，快速的响应时间使其成为耦合电能制氢的最合适的技术手段(ACS Catal.2022,12,6159-6171)。

PEM电解槽的主要部件包括双极板、气体扩散层、质子交换膜、阳极和阴极催化剂。由于PEM电解槽强氧化性和强酸性的工作环境，只有少数贵金属基电催化剂(通常IrO₂作为阳极催化剂)能够在这样的工作环境下维持合理的催化活性和稳定性，但贵金属的高成本使得PEM电解槽制氢成本很高。因此，发展低成本电解槽阳极催化剂需求迫切(NanoResearch Energy,2022,1:e9120032)。

负载型催化剂的设计为低成本电解槽催化剂这一目标的实现提供了可行的技术路线。在酸性析氧反应(OER)中，已报道过的负载型催化剂所用的载体有碳基材料、钛基材料、锡基材料等(ACS Catal.2021,11,7,4107–4116)。碳基材料的导电性虽好，但在酸性OER测试过程中不稳定从而造成金属脱落这一现象。钛基和锡基为代表的氧化物因其良好的稳定性普遍被用作酸性OER催化剂的载体。但它们自身导电性极差，需要负载大量的铱来提高催化剂整体电导率，才能应用于PEM电解槽中。

迄今为止，虽已报道过大量IrO₂-TiO₂复合催化剂，但差的导电性使其受限于PEM电解槽的应用。因此商业上依然以稀缺、昂贵且载量高的IrO₂为主，开发兼顾导电性和耐腐蚀性、低载量且高性能的阳极催化剂材料是当前能源转换形式下的迫切需求。

发明内容

本发明以降低PEM电解槽成本为目的，提供了一种高导电性、高性能的Ir@TiO₂阳极催化剂的制备及其在PEM电解槽中的应用。

本发明提供了一种高导电性、高性能的Ir@TiO₂阳极催化剂的制备，是以钛的各种化合物为钛源，以铱的各种化合物为铱源，根据铱的负载量的不同，钛源和铱源的质量比可进行调节，可调范围为1～100：1。