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一種包覆型電解水催化劑及其制備方法和應(yīng)用技術(shù)

技術(shù)編號(hào)：44458030 閱讀：4 留言：0更新日期：2025-02-28 19:05

本發(fā)明專利技術(shù)屬于質(zhì)子交換膜電解水領(lǐng)域，具體涉及一種包覆型電解水催化劑及其制備方法和應(yīng)用；催化劑由Ru?Mn0<subgt;2</subgt;作為載體，銥包覆在載體表面。本發(fā)明專利技術(shù)的電解水催化劑對(duì)現(xiàn)有雙金屬Ir基擔(dān)載工藝進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后雙金屬Ir、Ru的貴金屬的利用率得到有效提升，電化學(xué)面積也進(jìn)一步增加。

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【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于質(zhì)子交換膜電解水領(lǐng)域，具體涉及一種包覆型電解水催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

技術(shù)介紹

1、為了更好實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，新能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。在眾多新能源當(dāng)中，氫能因其燃燒后的產(chǎn)物僅為水，對(duì)環(huán)境友好，具有很大開發(fā)和應(yīng)用潛力。常見的制氫方式主要有化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫以及電解水制氫。其中電解水可以耦合光能、風(fēng)潮汐能等可再生能源及廢棄電能，可以減少能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)能源高效利用。

2、電解水制氫是一種將水分子中的氫氧元素分離，并形成相應(yīng)單質(zhì)分子的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)。作為水電解技術(shù)的核心部分，電化學(xué)析氧反應(yīng)(oer)是決定電解速率的關(guān)鍵步驟。在過去數(shù)十年時(shí)間里，oer催化劑已經(jīng)發(fā)展為貴金屬ir、ru氧化物為主要的電解水催化劑。氧化銥是商業(yè)化最成熟的電解水催化劑，但其居高不下的價(jià)格及儲(chǔ)量問題，是阻礙水電解技術(shù)進(jìn)一步市場化的關(guān)鍵。氧化釕催化劑是具備替代氧化銥的潛力，但其耐久性的問題仍然沒有解決。

3、降低ir的含量，提升ru的用量是當(dāng)今商業(yè)化電解水催化劑發(fā)展的主流趨勢。增大ir催化劑的電化學(xué)活性面積和原子利用率，是減少ir用量的重要途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決電解水制氫oer成本過高的問題，本專利技術(shù)對(duì)現(xiàn)有雙金屬ir基擔(dān)載工藝進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后雙金屬ir、ru的貴金屬的利用率得到有效提升，電化學(xué)面積也進(jìn)一步增加。

2、本專利技術(shù)通過多層包覆的制備工藝，使得充當(dāng)反應(yīng)活性位點(diǎn)的ir原子裸露在催化劑表面，而起到結(jié)構(gòu)支撐作用的基體部分由ru-mno2充當(dāng)。</p>

3、通過制備工藝的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了ir較高的原子利用率；同時(shí)具備ru原子的協(xié)同作用，可以有效降低電化學(xué)析氧反應(yīng)電位，提升電解效率；因基體結(jié)構(gòu)的充分合金化，保證了催化劑有足夠的機(jī)械穩(wěn)定性。

4、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)第一個(gè)方面公開了一種電解水催化劑的制備方法，包括如下步驟：

5、(1)基體合金前驅(qū)體：將rucl3·水合物和mncl2·水合物作為前驅(qū)體溶于去離子水中混合后得到溶液；

6、(2)分散烘干：向溶液中加入炭黑、乙醇及去離子水，超聲分散完成后轉(zhuǎn)至磁力攪拌器上，將溶劑烘干，收集粉末；

7、(3)高溫還原：將收集的粉末置于馬弗爐中，在惰性氣氛下進(jìn)行還原；

8、(4)低溫氧化/除碳：在還原完成后，待溫度降至450℃進(jìn)行氧化處理，將氣氛改為空氣，氧化時(shí)長為8h；

9、(5)細(xì)化：采用機(jī)械粉碎機(jī)對(duì)催化劑進(jìn)行細(xì)化處理；

10、(6)酸洗：將粉碎后的粉末至于ph為0.7～1.5的酸性環(huán)境下，酸洗時(shí)間8～12小時(shí)，隨后進(jìn)行洗滌、過濾；通過酸洗洗去基體表面的過渡金屬離子mn，讓過渡金屬離子填充在基體內(nèi)部，降低貴金屬ru的使用量，結(jié)構(gòu)支撐更強(qiáng)，合金的機(jī)械穩(wěn)定性更好。

11、(7)銥鹽添加：(7)銥鹽添加：將稱取好的ircl3·水合物溶于1mol/l鹽酸和乙醇混合溶液中，超聲分散半小時(shí)后與步驟(6)中酸洗后的粉末轉(zhuǎn)至恒溫磁力攪拌器上，并像混合溶液中加入適量硼氫化鈉反應(yīng)1h，將混合物洗滌、烘干后，收集剩余粉末。其中，銥和釕陽離子摩爾比為1：1-3；通過具體工藝的改進(jìn)，先制備基體，再通過調(diào)整貴金屬元素之間的離子摩爾比，使得充當(dāng)反應(yīng)活性位點(diǎn)的ir原子裸露在催化劑表面。

12、(8)高溫還原：將步驟(7)收集的粉末置于馬弗爐中，在惰性氣氛下進(jìn)行還原；

13、(9)低溫氧化：在還原完成后，待溫度將至300-500℃進(jìn)行氧化處理，將氣氛改為壓縮空氣，氧化時(shí)長為3-5h；

14、(10)催化劑獲取：通過過濾、洗滌及烘干步驟，獲得低ir負(fù)載高貴金屬比表面積的電解水催化劑。

15、在一些實(shí)施例中，步驟(1)rucl3·水合物和mncl2·水合物中，ru和mn離子摩爾比為1：1-3。

16、在一些實(shí)施例中，步驟(2)中乙醇水比例為1：1；炭黑與金屬離子的摩爾比為1：3，所述炭黑為卡伯特或科琴黑中的一種。

17、在一些實(shí)施例中，步驟(2)和步驟(7)中，磁力攪拌器的烘干條件為：在80℃下轉(zhuǎn)速為600r/s。

18、在一些實(shí)施例中，步驟(3)中，還原的條件在800℃下進(jìn)行，惰性氣氛為h2(5％)-ar(95％)，還原時(shí)長為2-5h，升降溫速率維持在2-5℃/min。

19、在一些實(shí)施例中，步驟(6)中，優(yōu)選鹽酸對(duì)ph值進(jìn)行調(diào)節(jié)，酸洗時(shí)間為10h。

20、在一些實(shí)施例中，步驟(8)中，還原的條件在900℃下進(jìn)行、惰性氣氛為h2(5％)-ar(95％)，還原時(shí)長為2-5h，升降溫速率維持在2-5℃/min。

21、本專利技術(shù)第二個(gè)方面公開了一種電解水催化劑，利用上述制備方法制得，其中所述電解水催化劑包括基體和附著在基體表面的ir原子；

22、所述基體包括ru-mn02。

23、在一些實(shí)施例中，所述電解水催化劑結(jié)構(gòu)分為內(nèi)、中、外三層；

24、其中催化劑內(nèi)層的金屬元素包含ru和mn元素，中層的金屬元素包含ir和ru元素，外層為ir元素。

25、本專利技術(shù)第三個(gè)方面公開了上述電解水催化劑在電化學(xué)析氧反應(yīng)中電催化水電解中的應(yīng)用。

26、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)有益效果在于：

27、本專利技術(shù)ru-mno2作為貴金屬ir及ru的負(fù)載基體，ru-mno2具有良好的導(dǎo)電性，mn的摻雜有利于降低ru金屬的用量；雙金屬ir及ru提高了催化劑的活性及耐久性；采用液相還原法，同時(shí)引入還原劑硼氫化鈉，在一定攪拌速度下，使得貴金屬ir可以在ru在ru-mno2上均勻的晶化生長。同時(shí)硼氫化鈉，能夠抑制ir的氧化，保持一定比例的金屬態(tài)ir，一定比例的金屬態(tài)ir有利于電化學(xué)活性及耐久性的提升；重要的是，采用ru-mno2擔(dān)載工藝降低了ir的用量，降低了催化劑oer端的成本，同時(shí)有ru的協(xié)同作用，使得電解效率得到進(jìn)一步提升。

本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

1.一種電解水催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)RuCl3·水合物和MnCl2·水合物中，Ru和Mn離子摩爾比為1：1-3。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(2)中乙醇水比例為1：1；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(2)和步驟(7)中，磁力攪拌器的烘干條件為：在80℃下轉(zhuǎn)速為600r/s。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，還原的條件在800℃下進(jìn)行，惰性氣氛為H2(5％)-Ar(95％)，還原時(shí)長為2-5h，升降溫速率維持在2-5℃/min。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(6)中，優(yōu)選鹽酸對(duì)pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，酸洗時(shí)間為10h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(8)中，還原的條件在900℃下進(jìn)行、惰性氣氛為H2(5％)-Ar(95％)，還原時(shí)長為2-5h，升降溫速率維持在2-5℃/min。

8.一種電解水催化劑，其特征在于，利用如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述制備方法制得，其中所述電解水催化劑包括基體和附著在基體表面的Ir原子；

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電解水催化劑，其特征在于，所述電解水催化劑結(jié)構(gòu)分為內(nèi)、中、外三層；

10.如權(quán)利要求1或2所述的電解水催化劑在電化學(xué)析氧反應(yīng)中電催化水電解中的應(yīng)用。

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【技術(shù)特征摘要】

1.一種電解水催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)rucl3·水合物和mncl2·水合物中，ru和mn離子摩爾比為1：1-3。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(2)中乙醇水比例為1：1；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(2)和步驟(7)中，磁力攪拌器的烘干條件為：在80℃下轉(zhuǎn)速為600r/s。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解水催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，還原的條件在800℃下進(jìn)行，惰性氣氛為h2(5％)-ar(95％)，還原時(shí)長為2-5h，升降溫速率維持在2-5℃/min。<...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：付福華，林其杭，趙力濤，韓盧，徐建華，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華燚新能源材料上海有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：

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