[發明專利]單分散納米氧化銥電催化劑的合成方法

有效

• 申請號: 201410517490.2
• 申請日: 2014-09-30
• 公開（公告）號: CN104437481A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 孔凡棟;徐志強;凌愛霞;劉景;孔令棟;王慧云
• 申請（專利權）人: 濟寧醫學院
• 主分類號: B01J23/46
• 分類號: B01J23/46;B01J35/10
• 代理公司: 濟寧眾城專利事務所 37106
• 代理人: 李效寧

技術領域

本發明涉及一種單分散納米氧化銥電催化劑的合成方法，應用于電解水和可再生燃料電池等新能源領域。

背景技術

氧化銥（IrO₂）是當今新能源領域中不可或缺的重要材料，主要應用于固體聚合物電解質電解水（PEMWE）和可再生燃料電池（URFC）系統中。IrO₂具有較高的化學穩定性和電化學穩定性，耐酸耐堿，耐電化學腐蝕，同時還具有較高的電催化活性，極化過電位較低，能量效果較高，由于這些特性使其成為PEMWE和URFC系統的優良電催化劑。在現有技術中IrO₂電催化劑的合成多采用以下幾種方法：（1）在Ti、ITO、Si等基板上熱分解銥的前驅體化合物，生成穩固的IrO₂層，即形成DSA電極，作為陽極應用于電解、電鍍等行業。但電極中的活性成分（IrO₂）呈層狀聚集狀態，只有表面暴露部分發揮催化作用，而包藏在內層的IrO₂則被浪費，因此其催化效率較低。尤其在當今領先的固體聚合物電解質電解技術和一體式可再生燃料電池中上述工藝技術難以被應用。（2）利用濺射技術制備IrO₂薄膜或薄層，用作電解或電鍍的陽極。顯然催化劑的利用率也是很低的，并且也不能應用于PEMWE和URFC系統中。（3）在制備IrO₂納米粉體方面，多采用硝酸鹽熔燒法，即Adams法。此法能批量制備納米尺度的IrO₂顆粒，但該方法中IrO₂粒子的生長是隨機進行的，不能調控，得到的產物粒徑分布范圍較寬，粒子形貌各異，造成催化活性的不穩定以及催化劑壽命的不均衡。總之，傳統的制備方法所得到的IrO₂，粒徑分布不均勻，粒子形貌處于團聚態，粒子之間的空間排布不可控。從目前納米材料的制備技術來看，制備單分散（均一粒徑）的納米粒子仍然是一個巨大的挑戰，而要實現粒子的空間可控分布更是這一領域的技術難關。

發明內容

本發明的目的是針對上述IrO₂電催化劑制備工藝和催化性能上存在的不足，提供一種單分散納米氧化銥電催化劑的合成方法，用以提高IrO₂電催化劑的催化活性、穩定性以及催化效率，高效地應用于目前領先的固體聚合物電解質電解水（PEMWE）和一體式可再生燃料電池（URFC）系統中。

本發明利用孔道結構均勻有序的介孔分子篩SBA-15為模板劑，以氯銥酸為前驅體，通過分子篩SBA-15孔道的浸漬灌注、燒結、模板劑移除等過程，得到單分散（粒徑均一）的IrO₂納米粒子。該納米粒子的結構和形貌取決于介孔分子篩SBA-15的孔道結構，它限制IrO₂粒子的生長和粒徑大小。關于介孔分子篩SBA-15，目前已經具備非常成熟的制備技術，趙東元院士在2000年前后曾在Science等雜志上發表多篇論文報道這一制備技術和研究成果，這是本發明的可靠基礎。SBA-15介孔分子篩有具有獨立的平行孔道結構，這是形成IrO₂納米粒子的場所，同時這些平行孔道之間又有微小的側向孔道把平行孔道連通起來，這些微小的側向孔道在灌注前驅體并燒結后可形成的柱狀IrO₂，起到支撐平行孔道內形成的IrO₂納米粒子的作用，以實現納米粒子良好的空間分散，并避免粒子的遷移、團聚和二次顆粒的形成。經電化學測試表明，該催化劑在電解水和可再生燃料電池中表現出很高的電催化活性和穩定性。

本發明采用的技術方案實現是利用SBA-15分子篩的特定孔道結構，通過灌注-燒結-移除模板的工藝路線，制備出單分散的IrO₂納米。具體合成方法為：

（1）前驅體溶液在SBA-15分子篩孔道中的浸漬和灌注：首先對SBA-15分子篩進行12?小時的真空干燥處理，溫度控制在80°C；再配制質量濃度為15%的氯銥酸乙醇溶液，所用乙醇為無水乙醇，將真空干燥處理后的SBA-15分子篩加入到該溶液中，使H₂IrCl₆與SBA-15分子篩的質量比為3:1，超聲振動1小時，再磁力攪拌5小時；然后將混合物置于干燥箱中，控制溫度在30-60°C下進行揮發干燥，直至完全干燥為止；最后將產物陳化12?小時；