[發明專利]一種用于水電解器的低貴金屬載量的析氧催化劑

有效

• 申請號: 201811307455.2
• 申請日: 2018-11-05
• 公開（公告）號: CN109589974B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 史言;閆常峰;盧卓信;郭常青;王志達;譚弘毅
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州能源研究所
• 主分類號: B01J23/46
• 分類號: B01J23/46;B01J37/10;C25B1/04
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 方燕;莫瑤江

本發明公開了一種用于水電解器的低貴金屬載量的析氧催化劑。一種用于水電解器的低貴金屬載量的析氧催化劑，所述的催化劑為銥鈦復合催化劑，由粉末鈦和負載于所述的粉末鈦表面的銥氧化物組成，所述的銥氧化物的質量分數為5％～30％。本發明提出的催化劑一方面采用了具有金屬導電性的金屬鈦粉末作為催化劑的載體，強化催化劑的電子導電性，另一方面銥與載體鈦結合緊密，提高了銥氧化物與載體間的結合力以及活性中心與載體間的電子轉移速率，因此在催化劑活性達到了商業氧化銥的3倍以上，同時貴金屬銥的用量可以大大降低，其中銥的質量比可下降至5％～30％。

技術領域

本發明屬于水電解領域，特別涉及一種用于水電解器的低貴金屬載量的析氧催化劑。

背景技術

水電解器是一種可將電能轉化為化學能的裝置，其在可再生能源電力系統儲能以及分布式制氫裝置中有較為廣泛的應用。目前的水電解系統如質子交換膜水電解器仍面臨著成本過高的問題，因此需要進一步降低其成本以推動該技術的商業化。膜電極是水電解器的核心部件，其由陰陽極的貴金屬催化劑以及聚合物電解質膜組成。當前質子交換膜水電解器中使用的催化劑均為貴金屬催化劑，且膜電極中貴金屬用量很高，導致膜電極成本居高不下，因此降低膜電極中催化劑的貴金屬用量是目前的重點研究方向。

在水電解器的陽極中，目前大量使用未負載的金屬銥或二氧化銥直接做催化劑，而一般水電解器陽極的銥用量為1.5～3mg/cm²，因此抬高了膜電極制備成本。為了進一步降低陽極貴金屬用量，研究人員使用了氧化物做為載體負載單質銥或二氧化銥制備了復合催化劑。在氧化物載體的選擇方面，需要滿足幾個條件，(1)在酸性體系中穩定；(2)能在較高的氧化電位下穩定存在；(3)具有一定電子導電性；(4)具有較高的比表面積。其中過渡金屬氧化物常被用作載體，但這類氧化物屬于半導體或絕緣體因而電子導電性很差，為了增強催化劑的活性必須大幅度提升銥氧化物的負載量，以通過高載量(質量分數大于60％)的氧化銥來彌補載體材料電子導電性不足的缺點，所以此類技術并不能大幅度降低催化劑中的貴金屬含量，，催化劑以及制備的膜電極成本仍然較高，亟待開發更低貴金屬載量的催化劑以解決現有技術中存在的問題。

發明內容

本發明提供了一種低貴金屬載量高活性的復合催化劑，選用了具有金屬導電性的金屬鈦粉末作為催化劑載體，與氧化物顆粒相比大大提升了載體材料的電子導電性；其次，采用了偏酸性的銥前驅體，利用金屬鈦與銥離子的置換反應將銥吸附分散在載體表面，增強了催化活性中心銥氧化物與載體間的電子轉移速率與結合力；最后，對銥氧化物采用了水熱處理工藝取代了傳統的熱燒結過程，避免了銥氧化物顆粒的團聚，且增加了銥氧化物表面缺陷，因此此類銥氧化物復合催化劑比傳統的商業氧化銥的活性更高。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種用于水電解器的低貴金屬載量的析氧催化劑，所述的催化劑為銥鈦復合催化劑，由粉末鈦和負載于所述的粉末鈦表面的銥氧化物組成，所述的銥氧化物的質量分數為5％～30％。

優選，所述的粉末鈦的粒徑為0.02～2μm，所述的銥氧化物的粒徑為1.5～5nm。

優選，所述的銥氧化物為IrO₂和/或IrOx(OH)y。

本發明還提供上述銥鈦復合催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)將氯銥酸加入純水中配制氯銥酸溶液，所述的氯銥酸溶液中銥的濃度為0.1～20mg/mL，加入第一堿性溶液調節氯銥酸溶液pH至6～7，隨后加入粉末鈦，混合均勻，25℃～80℃下攪拌，得到混合溶液；

(2)將步驟(1)得到的混合溶液惰性氣氛下，置于冰水浴中，在攪拌的條件下加入第二堿性溶液，其中銥離子與氫氧根的摩爾比為1～50:1，繼續攪拌，得到前驅體溶液；

(3)將步驟(2)得到的前驅體溶液置于水熱反應容器中，在120℃～200℃下加熱0.5～24h，冷卻后經離心分離、洗滌、烘干后得到銥鈦復合催化劑。