[发明专利]一种单分散IrCu合金催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种单分散IrCu合金催化剂及其制备方法与应用，利用水来增强多元醇的还原能力，可在相对较低温度下还原铱盐和铜盐得到IrCu合金，通过添加不溶于多元醇的水溶性磷酸盐把前驱体盐分隔限制在纳米尺度的微区域内，从而达到制备单分散的IrCu合金催化剂的目的。本发明方法工艺简单，无需添加有机大分子作结构导向剂，所制备的单分散IrCu合金纳米颗粒可作为析氧催化剂用于水电解池的氧电极中。

技术领域

本发明涉及一种单分散IrCu合金催化剂及其制备方法与应用，属于电催化领域。

背景技术

氢能被认为是最有希望取代传统的化石燃料的能源载体，与其他能源相比，氢的质量热值高(140MJ/kg)，是原油的3.26倍，是天然气的3.87倍，是焦炭的5.19倍，且燃烧产物为水，被公认为洁净能源。在当前我国“三弃问题”(弃水、弃风、弃光)严重的背景下，利用可再生能源来电解水制氢具有很强的经济价值。近年来，SPE电解水制氢技术因其高效、零排放、结构紧凑、环境友好，产物纯度高等优点，成为了制氢领域的研究焦点。在SPE电解水制氢过程中，阳极析氧反应(OER)是一个四电子-质子耦合反应，被认为是电解池过电势的主要来源，过电势高意味着能耗高，电能利用率低；而且高的过电势对材料(比如催化剂、扩散层、双极板等)的腐蚀也会加重，因此大量研究工作集中于设计高效的OER电催化剂，以期降低OER过电势。目前，综合考虑析氧活性和耐腐蚀能力，能用于SPE电解水制氢阳极催化剂的材料主要是贵金属Ir或者Ir的氧化物。但是Ir是地球上金属储量最低的元素，这就决定了阳极析氧催化剂的成本不会低。因此，亟需降低贵金属Ir的使用量，从而降低SPE电解水制氢成本。目前，有两种方式可达到此目的：(1)开发贵金属Ir基催化剂担载体来提高贵金属的利用率，但是目前还没有找到这种载体，因为除了Ir，Pt，Au等贵金属外，还没有一种非贵金属或非金属(比如C材料)载体能同时抗住强酸化学腐蚀和高电位电化学腐蚀；(2)添加第二组分，比如过渡金属，通过形成合金来降低Ir使用量，同时提高OER活性，或许还能提高稳定性。

发明内容

基于以上的背景技术，本发明的目的在于提供一种简便、高效的单分散IrCu合金催化剂的制备方法，本发明采用第二种方法，通过添加非贵金属Cu与Ir形成IrCu合金，并通过纳米形貌控制得到单分散的IrCu合金纳米颗粒以提高催化剂的比表面积，从而得到高活性的低Ir含量OER电催化剂。具体的本发明目的通过以下技术方案实现：

本发明一方面提供一种单分散IrCu合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铜盐和铱盐混合于水中，得混合物A；

(2)将磷酸盐加至混合物A中，得混合物B；

(3)将溶剂X添加于混合物B中，得混合物C；

(4)将混合物C在80～140℃下反应，得混合物D；

(5)向混合物D中加入溶剂Y，离心分离，洗涤、干燥，得所述IrCu合金催化剂；

步骤(1)中，所述铜盐在水中的浓度为0.005～0.1mol/L；所述铜盐为二价Cu的水溶性卤化物；所述铱盐在水中的浓度为0.005～0.1mol/L；所述铱盐为三价或四价的水溶性铱盐；所述铱盐与铜盐的摩尔比为1:3～10:1；

步骤(2)中，所述磷酸盐为水溶性焦磷酸盐，优选焦磷酸钠，焦磷酸钾，酸式焦磷酸钠，所述磷酸盐和铱盐的摩尔比为1:1～30:1；

步骤(3)中，所述溶剂X为水溶性多元醇；

步骤(3)中，混合物C中水和水溶性多元醇的体积比为1:9～19:1；

步骤(5)中，所述溶剂Y为乙醇和/或水。

基于以上技术方案，优选的，所述反应的反应时间为0.1～12.0h。