[发明专利]铱酸锶类催化剂、制备方法及其在电催化裂解酸性水产氧方面的应用

说明书

一类纯相铱酸锶类催化剂、制备方法及其在高效电催化裂解酸性水产氧方面的应用，属于无机功能材料领域。是将铱源、有机多元醇、锶源、有机多元酸和水通过不同比例混合加热蒸干，然后将蒸干的反应物煅烧一段时间，再将煅烧得到的产物用0.5～2mol/L的盐酸、硫酸、高氯酸等浸泡3～10h，即可得到不同相的铱酸锶。其中所得的单斜相铱酸锶SrIrO₃结晶度高，呈规则的六边形片，可代替传统的酸性水氧化催化剂二氧化铱，在一定程度上降低了贵金属铱的用量。其电催化水裂解析氧电流密度达到10mA/cm²时，仅需过电势248mV，在目前报道过的水裂解析氧催化剂中本征活性最高，远远好于目前工业所用贵金属催化剂，并且性能稳定不衰减，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于无机功能材料领域，具体涉及一系列纯相铱酸锶类催化剂、制备方法及其在高效电催化裂解酸性水产氧方面的应用。

背景技术

随着经济社会的飞速发展，人口增多，能源问题日益凸显。在可持续能源发展领域，例如燃料电池和电催化产氢中，电化学水裂解产氧反应至关重要，但是产氧反应动力学限制了其催化性能和商业化应用。在酸性水氧化中，问题更加凸显，大部分催化材料在强酸和产氧过电势下很难稳定。传统的贵金属氧化物(IrO₂，RuO₂)催化剂具有较高的酸性水氧化(OER)活性，RuO₂在电化学酸性水氧化催化中性质优异，但是稳定性很差。IrO₂在电化学水氧化中表现良好，但价格昂贵且资源匮乏限制了它的大规模应用。所以寻找取代贵金属铱的氧化物或降低贵金属铱的用量，并具有更好的酸性水氧化产氧活性和稳定性的催化材料是酸性水裂解产氧的关键。

近几年里，随着相关研究的推进，一系列酸性产氧催化剂被开发出来。例如，具有高本征酸性水裂解产氧活性的IrO_x/SrIrO₃(Science 2016年353卷1011页)；铱基双钙钛矿型高效水氧化催化剂(Nat.Commun.2016年7卷12363页)和水热法合成烧绿石结构的Bi₂Ir₂O₇产氧催化剂(Chem.Mater.2014年24卷4192页)。尽管这些催化剂在酸性产氧方面性质较良好，但是其合成方法都较为复杂，大多需要模板诱导晶相合成法或者高温高压固相合成法。针对上述问题，我们用较普适的溶胶凝胶法，常压(101.325kPa)下即可生成，生成物的酸性水氧化活性更为优异且稳定，可作为十分优异的酸性水裂解水氧化催化剂材料。

发明内容

本发明以合成高效酸性水氧化催化剂为目的，合成了一系列不同相的铱酸锶类催化剂，其中单斜相铱酸锶SrIrO₃具有最高的酸性产氧活性，形貌尺寸呈纳微米级的六方片，实现了高效酸性水氧化方面的应用；正交相铱酸锶SrIrO₃酸性水氧化活性已被报道，在已报道的酸性水氧化催化剂中本征活性最高，传统合成方法较为困难，需要高温高压或者晶相诱导。本发明中我们实现用一种常压(101.325kPa)方法即溶胶凝胶法合成正交相铱酸锶；其中立方相Sr₂Ir₃O₈在已报道的文献中合成方法多为固相合成，且不能合成纯相。本发明通过调控化合物的计量，发现一系列可以合成出纯相Sr₂Ir₃O₈的配比，并且成功合成出纯相纳微米级的立方相Sr₂Ir₃O₈立方块。

本发明的所提到的铱酸锶类催化剂是将铱源、有机多元醇、锶源、有机多元酸和水通过一定比例混合加热蒸干，然后将蒸干的反应物煅烧一段时间，再将煅烧得到的产物用0.5～2mol/L的盐酸、硫酸、高氯酸等浸泡3～10h，即可得到相应化合物。