【技術實現步驟摘要】
本公開涉及氫能及電催化，具體地，涉及一種含銥催化劑及其制備方法和應用。
技術介紹
1、隨著碳中和碳達峰目標的提出，氫氣的綠色制取技術受到了廣泛的關注。其中，質子交換膜(pem)電解水制氫的運行電流密度高、占地面積小、效率高，同時具備快速啟停及負荷可調節范圍大的優點，非常適合光伏、風力等可再生能源電力利用。目前pem電解水制氫主要問題在于成本過高，通過催化劑的優化設計以降低電堆的成本及提高催化劑的效率十分關鍵。
2、目前，陰陽極催化劑分別使用pt/c以及ir系金屬催化劑，pt系陰極催化劑負載量可低至0.3-0.025mg/cm2，在此范圍內對電解水制氫性能影響幾乎不大。pem電解水反應過程中，陽極是速率控制步驟，其過電位較高，催化劑的使用量也是陰極催化劑的5-10倍以上，且ir系金屬價格較pt系更貴。因此，減小析氧反應的過電位及降低陽極貴金屬的用量是實現pem電解水設備大規模商業化的重要突破口。
3、引入適當的載體制備負載型催化劑可有效降低貴金屬用量且提高催化劑活性。較多的載體材料已被報道用于酸性電解水析氧反應中，如sno2、ato、tio2、nb-tio2等。其中，大比表積的tio2被用作iro2的載體(201811295042.7；acs?catal.2017,7,2346-2352)，但低iro2載量的膜電極活性不佳。為進一步降低電解水膜電極中貴金屬銥含量，需在保持tio2載體的耐酸耐氧化性的基礎上，進一步提高tio2的導電性。
技術實現思路
1、本公開
2、為了實現上述目的，本公開第一方面提供一種含銥催化劑，所述含銥催化劑包括載體和負載于所述載體上的活性組分；
3、所述載體包括tio2包覆的tin，所述活性組分包括單質ir。
4、可選地，所述含銥催化劑的比表面積為40-70m2/g；
5、所述活性組分的平均粒徑為2-4nm；
6、可選地，所述含銥催化劑的電導率為0.005-0.03s/mm。
7、可選地，相對于所述含銥催化劑的總重量，以銥元素計的所述活性組分的含量為30-50重量％。
8、本公開第二方面提供一種用于水電解陽極催化劑的載體，所述載體為tio2包覆的tin，所述載體的比表面積為100-150m2/g。
9、可選地，相對于所述tio2包覆的tin的總重量，所述tio2的含量為40-60重量％，所述tin的含量為40-60重量％；
10、所述tin為面心立方晶型；
11、所述載體的電導率為1×10-7至1.5×10-6s/mm。
12、可選地，在所述tio2包覆的tin的xrd譜圖中，無tio2的特征峰，所述tin的特征峰的位置相對純tin的特征峰向高角度偏移0.2-0.3ev。
13、本公開第三方面提供制備tio2包覆的tin的方法，該方法包括以下步驟：
14、s1、將絡合劑、鈦源、tin與水混合，調節混合物的ph值為8-10并進行水解反應，得到第一物料；
15、s2、將所述第一物料中的固體進行第一熱處理；
16、所述絡合劑包括有機多元酸。
17、可選地，所述絡合劑包括碳原子數為2-10的有機多元酸中的一種或幾種，優選包括乙二胺四乙酸、乙二酸、馬來酸和檸檬酸中的一種或幾種；
18、所述鈦源包括硫酸鈦、鈦酸乙酯和鈦酸四丁酯中的一種或幾種；
19、可選地，所述tin的粒徑為10-20nm。
20、可選地，步驟s1中，所述水解反應的條件包括：時間為3-10h，溫度為60-100℃；
21、所述混合的條件包括：時間為0.5-2h，溫度為60-100℃；
22、以鈦元素計的所述鈦源、所述tin與所述絡合劑的摩爾比為1：(0.5-1.2)：(0.5-2)；
23、在所述混合物中，以鈦元素計的所述鈦源的濃度為0.1-1mol/l。
24、可選地，步驟s2中，所述熱處理的方法為焙燒，所述焙燒的條件包括：時間為2-8h，溫度為300-600℃，升溫速率為2-5℃/min，焙燒氣氛包括氧氣含量為20-25體積％的空氣氣氛。
25、本公開第四方面提供采用本公開第三方面所述的方法制備的tio2包覆的tin。
26、本公開第五方面提供制備含銥催化劑的方法，該方法包括：將本公開第二方面或第四方面所述的tio2包覆的tin、表面活性劑、銥源與有機溶劑接觸，進行反應；
27、所述有機溶劑包括飽和多元醇、芳香醇和酰胺中的一種或幾種。
28、可選地，所述表面活性劑包括碳原子數為12-19的有機銨鹽，優選包括十六烷基三甲基氯化銨、十四烷基三甲基溴化銨和十六烷基三甲基溴化銨中的一種或幾種；
29、銥源包括氯銥酸和/或氯銥酸的可溶性鹽；
30、所述有機溶劑包括1,2-丙二醇、丙三醇、苯甲醇、n,n-二甲基甲酰胺和n,n-二甲基乙酰胺中的一種或幾種。
31、可選地，所述反應條件包括：溫度為140-180℃，時間為3-8h。
32、可選地，所述tio2包覆的tin、所述表面活性劑與以氯銥酸計的所述銥源的摩爾比為1：(5-15)：(0.2-0.4)；
33、在所述接觸得到的物料中，以銥元素計的所述銥源的濃度為0.001-0.01mol/l。
34、本公開第六方面提供采用本公開第五方面所述的方法制備的含銥催化劑。
35、本公開第七方面提供本公開第一方面或第六方面所述的含銥催化劑，或者第二方面或第四方面所述的tio2包覆的tin在水電解陽極催化劑中的應用。
36、本公開第八方面提供一種質子交換膜水電解裝置，包括質子交換膜、陰極催化劑層、陽極催化劑層、陰極擴散層和陽極擴散層，所述陽極催化劑層包含第一方面或第六方面所述的含銥催化劑。
37、本公開第九方面提供一種電解水制氫氣的方法，使用第一方面或第六方面所述的含銥催化劑，或者使用第八方面所述的質子交換膜水電解裝置。
38、通過上述技術方案，本公開以tio2包覆的tin作為載體，相對于純tio2和純tin具有更大的比表面積和更好的導電性能，有利于減小活性組分的一次粒徑，暴露更多活性位點，進而提高催化活性；與現有的催化劑相比，本公開的含銥催化劑具有較低的過電勢、較高的質量比活性、較好的循環穩定性和較高的電導率的同時，具有較低的銥含量。
39、本公開的其他特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。
本文檔來自技高網...【技術保護點】
1.一種含銥催化劑，其特征在于，所述含銥催化劑包括載體和負載于所述載體上的活性組分；
2.根據權利要求1所述的含銥催化劑，其中，所述含銥催化劑的比表面積為40-70m2/g；
3.根據權利要求1所述的含銥催化劑，其中，相對于所述含銥催化劑的總重量，以銥元素計的所述活性組分的含量為30-50重量％。
4.一種用于水電解陽極催化劑的載體，其特征在于，所述載體為TiO2包覆的TiN，所述載體的比表面積為100-150m2/g。
5.根據權利要求4所述的載體，其中，相對于所述TiO2包覆的TiN的總重量，所述TiO2的含量為40-60重量％，所述TiN的含量為40-60重量％；
6.根據權利要求4所述的載體，其中，在所述TiO2包覆的TiN的XRD譜圖中，無TiO2的特征峰，所述TiN的特征峰的位置相對純TiN的特征峰向高角度偏移0.2-0.3eV。
7.制備TiO2包覆的TiN的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述絡合劑包括碳原子數為2-10的有機多元酸中的一
9.根據權利要求7所述的方法，其中，步驟S1中，所述水解反應的條件包括：時間為3-10h，溫度為60-100℃；
10.根據權利要求7所述的方法，其中，步驟S2中，所述熱處理的方法為焙燒，所述焙燒的條件包括：時間為2-8h，溫度為300-600℃，升溫速率為2-5℃/min，焙燒氣氛包括氧氣含量為20-25體積％的空氣氣氛。
11.采用權利要求7-10中任意一項所述的方法制備的TiO2包覆的TiN。
12.制備含銥催化劑的方法，其特征在于，該方法包括：將權利要求4-6和11中任意一項所述的TiO2包覆的TiN、表面活性劑、銥源與有機溶劑接觸，進行反應；
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述表面活性劑包括碳原子數為12-19的有機銨鹽，優選包括十六烷基三甲基氯化銨、十四烷基三甲基溴化銨和十六烷基三甲基溴化銨中的一種或幾種；
14.根據權利要求12所述的方法，其中，所述反應條件包括：溫度為140-180℃，時間為3-8h。
15.根據權利要求12所述的方法，其中，所述TiO2包覆的TiN、所述表面活性劑與以氯銥酸計的所述銥源的摩爾比為1：(5-15)：(0.2-0.4)；
16.采用權利要求12-15中任意一項所述的方法制備的含銥催化劑。
17.權利要求1-3和16中任意一項所述的含銥催化劑，或者權利要求4-6和11中任意一項所述的TiO2包覆的TiN在水電解陽極催化劑中的應用。
18.一種質子交換膜水電解裝置，包括質子交換膜、陰極催化劑層、陽極催化劑層、陰極擴散層和陽極擴散層，其特征在于，所述陽極催化劑層包含權利要求1-3和16中任意一項所述的含銥催化劑。
19.一種電解水制氫氣的方法，其特征在于，使用權利要求1-3和16中任意一項所述的含銥催化劑，或者使用權利要求18所述的質子交換膜水電解裝置。
...【技術特征摘要】
1.一種含銥催化劑，其特征在于，所述含銥催化劑包括載體和負載于所述載體上的活性組分；
2.根據權利要求1所述的含銥催化劑，其中，所述含銥催化劑的比表面積為40-70m2/g；
3.根據權利要求1所述的含銥催化劑，其中，相對于所述含銥催化劑的總重量，以銥元素計的所述活性組分的含量為30-50重量％。
4.一種用于水電解陽極催化劑的載體，其特征在于，所述載體為tio2包覆的tin，所述載體的比表面積為100-150m2/g。
5.根據權利要求4所述的載體，其中，相對于所述tio2包覆的tin的總重量，所述tio2的含量為40-60重量％，所述tin的含量為40-60重量％；
6.根據權利要求4所述的載體，其中，在所述tio2包覆的tin的xrd譜圖中，無tio2的特征峰，所述tin的特征峰的位置相對純tin的特征峰向高角度偏移0.2-0.3ev。
7.制備tio2包覆的tin的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述絡合劑包括碳原子數為2-10的有機多元酸中的一種或幾種，優選包括乙二胺四乙酸、乙二酸、馬來酸和檸檬酸中的一種或幾種；
9.根據權利要求7所述的方法，其中，步驟s1中，所述水解反應的條件包括：時間為3-10h，溫度為60-100℃；
10.根據權利要求7所述的方法，其中，步驟s2中，所述熱處理的方法為焙燒，所述焙燒的條件包括：時間為2-8h，溫度為300-600℃，升溫速率為2-5℃/min...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張聰，米萬良，王帥洋，
申請(專利權)人：中國石油化工股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。