[发明专利]一种高效铱基电解水双功能催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高效铱基电解水双功能催化剂及其制备方法和应用，双功能催化剂包含氮掺杂的碳材料和负载在氮掺杂的碳材料上的铱纳米颗粒，所述双功能催化剂中金属铱的质量百分比小于10％，所述双功能催化剂同时具备良好的析氢和析氧催化活性，同时其制备方法简单，容易操作，在电解水制备氢气与氧气的过程中有良好的催化效果，具有广阔的市场前景。

技术领域

本发明属于新能源材料领域，具体涉及一种高效铱基电解水双功能催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

电解水是制备氢气的有效方法，是未来可持续能源供应系统中的重要一环，电解水的两个半反应分别是阴极的氢气析出反应(析氢反应)和阳极的氧气析出反应(析氧反应)。目前电解水技术存在过电位高、电能利用效率低等缺点，因此发展高效电解水催化剂(包括析氢催化剂和析氧催化剂)是非常重要。目前最好的析氢催化剂是贵金属铂(Pt)；而对析氧催化剂而言，碱性环境中以过渡金属铁镍的(氢)氧化物为佳，而酸性环境下必须采用贵金属铱或钌或它们的氧化物为催化剂。由此可见，电解水催化剂均已贵金属为主，而它们的活性及稳定性均需要进一步提高，同时大幅降低其负载量也非常重要。另外鲜有催化剂能同时具备良好的析氢和析氧催化活性。

因此需要研发一种负载量低、能够同时具备良好的析氢和析氧催化活性的电解水双功能催化剂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种高效铱基电解水双功能催化剂；本发明的目的之二在于提供一种高效铱基电解水双功能催化剂的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种高效铱基电解水双功能催化剂在催化水电解制备氢气和/或氧气方面的应用。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种高效铱基电解水双功能催化剂，所述双功能催化剂包含氮掺杂的碳材料和负载在氮掺杂的碳材料上的铱纳米颗粒，所述双功能催化剂中金属铱的质量百分比小于10％，所述双功能催化剂同时具备良好的析氢和析氧催化活性。

优选的，所述碳材料包含炭黑、活性炭、氧化碳纳米管或者氧化石墨烯中的任意一种。2、上述一种高效铱基电解水双功能催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)制备聚多巴胺修饰的碳材料分散液：在碳材料表面生长一层聚多巴胺薄膜，得到聚多巴胺修饰的碳材料分散液；

(2)制备高效铱基电解水双功能催化剂：向步骤(1)中聚多巴胺修饰的碳材料分散液中加入去离子水，超声分散后缓慢加入IrCl₃·3H₂O溶液，在常温下搅拌10分钟或以上后离心，用去离子水洗涤1～3次后进行冷冻干燥，再将冷冻干燥后的产物在氩气气氛下750℃处理1～3小时，即可得终产物即高效铱基电解水双功能催化剂。

优选的，步骤(1)中所述在碳材料表面生长一层聚多巴胺薄膜的具体操作为：将碳材料分散于pH为6～10的溶液中，超声使之形成均匀分散溶液，再加入多巴胺，室温搅拌15～24h后进行离心，去离子水洗涤1～3次后即可得到聚多巴胺修饰的碳材料分散液。

优选的，所述碳材料在pH为6～10的溶液中的浓度为0.1～5mg/mL，所述多巴胺在pH为6～10的溶液中的浓度为0.1～10mg/mL。

优选的，所述pH为6～10的溶液为Tris缓冲液、PBS缓冲液或者乙醇水溶液。

优选的，步骤(2)中所述聚多巴胺修饰的碳材料的浓度为0.1～10mg/mL，所述IrCl₃·3H₂O的浓度为0.02～5mg/mL。

优选的，所述离心的时间为1～30min，所述离心的转速为1000～17000rmp。