[發明專利]碳紙載錳化釕催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202111548861.X
• 申請日: 2021-12-17
• 公開（公告）號: CN114250487B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 章俊良;安璐;楊帆;沈水云;沈淵亭;高騫
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;C25B1/04;C25B11/054;C25B11/065
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 范艷靜

本發明提供了一種碳紙載錳化釕催化劑及其制備方法和應用，制備方法包括：將前驅體錳鹽、聚乙烯吡咯烷酮和三氯化釕溶液混合，得到前驅體混合液；將清洗后的碳紙在前驅體混合液中浸漬，取出，烘干；常溫下，烘干的碳紙在氫氣下通氣后，加熱，燒結，降溫；三氯化釕中釕元素和錳鹽中錳元素的離子濃度配比為1:1，錳鹽選自三氯化錳、Mn(NO₃)₃或Mn₂(SO₄)₃；本發明的碳紙載錳化釕催化劑作為電極在酸性電解水氧析出反應中應用；本發明通過在碳紙原位生長錳化釕合金催化劑，大大增強了釕的成鍵鍵強，從而明顯地增強了穩定性，降低溶解速度，并在表面氧化形成了鍵強更強的釕氧化物，進一步大大提高了釕基催化劑在酸性電解水中的穩定性。

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種碳紙載錳化釕催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

酸性電解水氧析出主要依賴于貴金屬釕(Ru)與銥(Ir)基催化劑，其中Ir貴金屬儲量極低，相比之下，Ru的催化性能更高且價格更低，但是Ru基催化劑的穩定性相對較差。目前通過對Ru進行摻雜合成合金或氧化物，從而提高其性能及穩定性。

質子交換膜電解水具有結構緊湊、低阻抗、電流密度高等特點，而質子交換膜的強酸性環境以及電解水的高電壓，對催化劑有很強的腐蝕作用，使得大多數賤金屬會發生溶解析出。目前能在酸性中使用的催化劑大多為貴金屬Ru及Ir基催化劑，而Ir的極度稀有使其廣泛使用受限。Ru及電化學析氧(OER)催化劑催化性能優異，但穩定性較弱，文獻中酸性環境電解水催化劑的定電壓測試(10mA/cm²對應電壓值)或定電流穩定性(10mA/cm²)測試時長大部分不超過50h。Ru基催化劑的低穩定性限制了其在酸性氧析出反應中的進一步普及利用。

發明內容

針對現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種碳紙載錳化釕催化劑及其制備方法和應用。本發明通過蘸取法(dip-coating)方法原位生長催化劑，即將碳紙(carbonfiber paper,CFP)表面蘸取前驅體混合液，之后在氫氣氣氛中進行還原燒結，得到原位生長的碳紙載錳化釕(RuMn)合金催化劑。

為達到上述目的，本發明的解決方案是：

第一方面，本發明提供了一種碳紙載RuMn催化劑的制備方法，其包括如下步驟：

(1)、將前驅體錳鹽、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和三氯化釕(RuCl₃)溶液混合，得到前驅體混合液；

(2)、將清洗后的碳紙在前驅體混合液中浸漬，取出后進行烘干；

(3)、常溫下，步驟(2)烘干的碳紙在氫氣氣氛下通氣后，加熱，然后燒結，降溫，得到碳紙載RuMn催化劑；

步驟(1)中，RuCl₃中Ru元素和錳鹽中Mn元素的離子濃度配比為1:1。

作為本發明的一種優選實施例，步驟(1)中，錳鹽選自MnCl₃、Mn(NO₃)₃和Mn₂(SO₄)₃中的一種以上。

作為本發明的一種優選實施例，步驟(2)中，浸漬的時間為10-20s。

作為本發明的一種優選實施例，步驟(2)中，烘干的溫度為40-70℃，烘干的時間為10-20min。

作為本發明的一種優選實施例，步驟(3)中，常溫通氣時間為1-2h。

作為本發明的一種優選實施例，步驟(3)中，加熱時升溫的速率為4-6℃/min，加熱的溫度為800-1000℃。

作為本發明的一種優選實施例，步驟(3)中，燒結的時間為7-8h。