[发明专利]一种含Ru稳定氧化锆的活性材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于应用电化学和能源工业的电极材料领域，具体涉及一种含Ru稳定氧化锆的活性材料及其制备方法。

背景技术

1967年比尔发现贵金属氧化物具有非常高的电催化活性，因此被称为活性氧化物材料，或简单称为活性材料。到目前为止，最为优越的活性材料仍然是含钌氧化物材料。大量实验表明，采用了与二氧化钌具有相同晶体结构（即金红石相）的氧化物为载体，不仅能使电催化性能提高，而且能够明显降低贵金属的用量，从而降低成本。最为常见的活性氧化物有以钛和锡为载体的Ti-Ru、Sn-Ru、Ti-Ru-Ir、Sn-Ru-Ir、Sn-Ru-Ti等二元或多元氧化物材料。而采用与二氧化钌具有不同晶体结构的氧化物为载体则是人们探索如何进一步降低成本的重要课题，研究的其它载体还有Co、Ce、Si等。总体上成功的例子不多。二氧化锆在常温下属于单斜结构，与金红石结构在密度上相差很大，将其与二氧化钌混合，制备活性材料难度很大。因此，将锆作为添加元素，只有少量研究报导，且研究的结果都不理想，研究认为Ru-Zr氧化物的互溶度不足10%。在本科研团队主持的国家自然科学基金项目“纳米活性氧化物载体材料”的研究中发现，采用常规的技术将锆溶入二氧化钌来获得高锆含量的含Ru氧化物也是行不通的。然而经过本团队的不懈努力，研究发现了能获得具有二氧化锆和二氧化钌高度混合的氧化物组织，同时获得比采用现有技术更好的综合性能，其发明得到中国专利受理（受理号为201010168795.9）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含Ru稳定氧化锆的活性材料，通过添加Y元素，有效的提高了该活性材料的性能。

本发明的另一目的在于提供一种含Ru稳定氧化锆的活性材料的制备方法，该方法改进了原有技术，通过加热蒸发，加热固化，氧化烧结等工艺获得了高度分散的组织结构和高度分配的活性中心，具有工艺简单、可行，进一步提高了Zr-Ru活性氧化物材料的电催化活性的优点。

本发明的一种含Ru稳定氧化锆的活性材料中Zr：Y：Ru的摩尔比为34~80：2~8：12~58。

本发明所述活性材料的较佳配方是Zr：Y：Ru的摩尔比为50~70：2~8：22~48。

本发明提出的一种含Ru稳定氧化锆的活性材料的制备方法的具体步骤为：

1)活性浆液的配制：活性浆液的活性组元以RuCl₃为源物质，非活性组元以ZrCl₄和YCl₃为源物质，根据所述Zr：Y：Ru的摩尔比例称取各源物质，并将活性组元源物质和非活性组元源物质分别溶于乙醇溶液，待各固体源物质充分溶解后，将二者混合均匀，混合后溶质的浓度控制在0.5~5 mol/L，得到活性浆液；

2)烧结：将上述活性浆液，经80~100℃加热蒸发，再经120~180℃加热固化后，在250~450℃的箱式炉中氧化烧结1-2h，出炉冷却，即得该活性氧化物材料。

步骤1）中非活性组元也可为ZrO(NO₃)₂和YCl₃为源物质。

本发明具有高的电催化活性氧化物的设计思路是基于对高锆含Ru氧化物的组织改良。 

本发明提供的活性材料是对高锆含量活性材料的改进，主要采用Y元素来稳定二氧化锆，以使二氧化锆为主体的活性材料中的二氧化锆获得了正方或立方晶型，使得高锆含量的活性材料组织较为稳定、性能更加优越，具有更高的电催化活性，以此为电极材料提供了一种新的成分设计方案，可以应用于水溶液电解、超电容、有机溶液电解、燃料电池等电化学部件和器件。

本发明的显著优点：

a) 本发明由于加入了Y元素来稳定二氧化锆，使Zr-Y-Ru氧化物活性材料具有Zr-Ru氧化物活性材料无法得到更高的组织稳定性，含Ru高比例解决了Zr-Ru氧化物活性材料性能不够稳定的缺陷。通过本发明的工艺仍然可以获得Zr含量高于30 mol%的含Ru活性氧化物材料，甚至还可以获得以锆为主的含Ru活性氧化物材料，而且组织和性能更加优越。

b) 采用本发明的制备工艺可以解决采用常规技术无法获得的高电催化材料的缺陷。常规Y元素的添加可以获得稳定的正方二氧化锆，而采用本发明的加热蒸发，加热固化，氧化烧结等工艺制备获得的显微组织中，可以发现所稳定的组织和相结构主要体现为非晶态或立方二氧化锆纳米晶，从而有效地使Zr和Ru两种元素在高含量下的混合，最终获得高度分散的组织结构和高度分配的活性中心，从而进一步提高了Zr-Ru活性氧化物材料的电催化活性。