[發明專利]一種酸性介質中電解水陽極催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 202111594736.2
• 申請日: 2021-12-24
• 公開（公告）號: CN114045528B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 蔣昆;王曉駿
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C25B11/093
• 分類號: C25B11/093;C25B1/04;C01G23/053;C01G55/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 深圳眾邦專利代理有限公司 44545
• 代理人: 李茂松

本發明涉及一種酸性介質中電解水陽極催化劑的制備方法，屬于電催化劑技術領域，包括以下步驟：二氧化鈦納米片的合成；缺陷化的二氧化鈦納米片的制備；載體催化劑的制備。本發明通過改性的載體負載貴金屬，制備的催化劑可以很好的應用于酸性介質中電解水陽極析氧，有效的解決了酸性介質中電解水陽極催化劑高成本、低穩定性、較差活性等問題，為設計高活性、高電流密度、高穩定性的酸性電催化劑提供了一定的方法。

技術領域

本發明涉及電催化劑技術領域，具體是一種酸性介質中電解水陽極催化劑的制備方法。

背景技術

面對當前的能源需求和化石碳基材料過度消耗帶來的危機，新能源的開發被提上了日程。人們普遍認為，清潔、環境友善、高能量儲存的氫能是一種完美的替代能源。在眾多產氫方法中，固體質子聚合物電解質(SPE)水電解制氫技術是最有前景的。SPE制氫技術具有其他制氫技術所不具備的優點，它除氣體純度高外，還有維護量少，制氫成本低，沒有腐蝕性液體，對環境沒有任何污染等優點。隨著燃料電池汽車和空間技術的高速發展，SPE技術也必將得到快速發展。然而由于SPE固體聚合物水電解技術需要使用貴金屬作為其催化劑，成本較目前普及的堿液電解更高，所以限制了其應用規模。

在水電解過程中，陰極側有氫氣析出，大多數使用碳載鉑催化劑，在低的貴金屬負載下達到較好的性能。而且氫氣析出反應為2個電子路徑，能壘較小，動力學較快。而陽極側有氧氣析出且為4電子反應路徑，能壘較高，動力學緩慢。為了達到較好的性能，目前主要以貴金屬(釕、銥)作為催化劑，但陽極側高電位、高質子濃度的微觀反應環境對貴金屬的穩定性提出了很大的挑戰，也限制了其應用。通過載體與負載納米催化劑間的強相互作用，有望解決這個問題。傳統的催化劑載體大多是碳，有助于維持活性的同時兼顧穩定性。但是酸性介質中大電位強氧化條件下，碳載體會發生溶解，導致活性組分的流失，遠遠無法滿足實際應用。為了解決在酸性介質中電解水析氧載體的問題，通過載體與催化劑的相互作用改善氧析出反應OER催化劑性能的方法。我們選擇了氯堿工藝中使用的尺寸穩定陽極RuO₂/TiO₂復合材料為基底，其中RuO₂作為活性物質，TiO₂作為助催化劑和載體，提高復合電極的活性和穩定性。與同載量碳載二氧化釕催化劑相比，二氧化鈦催化劑的活性較弱。原因可能是半導體二氧化鈦導電性差，導致電子傳遞緩慢。

目前在酸性介質析氧反應催化劑中采取的載體效應策略，除了穩定性不好的碳以外，多數是以金屬氧化物作為助催化劑，但金屬氧化物由于導電性不好，使得活性大大降低，造成了更大的能壘，反而不利于析氧反應進行。

發明內容

本發明的目的在于提供一種酸性介質中電解水陽極催化劑的制備方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種酸性介質中電解水陽極催化劑的制備方法，包括以下步驟：

二氧化鈦納米片的合成：將鈦酸四丁酯和氫氟酸溶液加入高壓釜中并混合均勻，在170-190℃下保溫22-26h，自然冷卻至室溫，離心分離后，用乙醇和蒸餾水洗滌后凍干備用；

缺陷化的二氧化鈦納米片的制備：將二氧化鈦納米片在550-750℃的氫/氬氣混合氣中退火1.5-2.5h，自然冷卻至室溫，浸入氨基硅烷APTMS水溶液中，在水浴溫度30-60℃下攪拌6-12h，離心，洗滌混合物中多余的APTMS分子，然后分散在水溶液中備用；

載體催化劑的制備：在水浴中，將RuCl₃儲備液加入超純水中，攪拌均勻，然后加入缺陷化的二氧化鈦納米片，超聲后攪拌，調節pH至7-10，在室溫下繼續攪拌均勻，然后過濾并用超純水洗滌，最后在60-80℃真空干燥過夜。

作為本發明的進一步技術方案，所述二氧化鈦納米片的合成時，鈦酸四丁酯的濃度不小于98.5％。