[发明专利]水合金属掺杂的钌铱复合氧化物材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于析氧反应催化剂技术领域，具体为一种水合金属掺杂的钌铱复合氧化物材料及其制备方法和应用。本发明材料简写为RuIrMOx，其中M代表Mg、Ca、Sr或Ba等水合金属。本发明RuIrMOx复合氧化物中的水合金属与水/氢氧根离子（H₂O/OH^–）之间会产生非共价相互作用，会增强复合氧化物表面与H₂O/OH^–之间的结合，进而提高氧化物催化剂的反应速率。本发明制备工艺简单，且能实现高活性、长循环的析氧催化剂，在电解水领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于析氧反应催化剂技术领域，具体涉及一种水合金属掺杂的钌铱复合氧化物材料及其制备方法和应用。

背景技术

析氧反应（OER）是电解水，二氧化碳电解池和微生物电合成等装置中的阳极反应。常规电解水装置采用强碱或强酸电解液，会对设备和隔膜产生严重腐蚀，降低了装置的稳定性。此外，由于酶和细菌无法在酸/碱性电解液中生存，为了使微生物电合成装置得以稳定工作，须采用中性电解液体系的OER电极。然而，目前中性OER催化剂的过电位仍较高，反应速率较为缓慢，导致能量转换效率较低。一般而言，OER过程包括四个电子转移步骤，以及反应中间产物（*OH、*O和*OOH）的吸脱附过程。OER过程的第一步是催化剂表面吸附水分子（H₂O）或氢氧根离子（OH^–）。由于中性电解液的OH^–浓度比碱性电解液低几个数量级，中性OER体系需要额外的H₂O吸附和解离过程，以提供OER所需的OH^–，从而产生了更大的势垒。近年来，研究表明水合金属阳离子（Mn⁺）和H₂O/OH^–之间的非共价相互作用会产生水合作用，会形成OH_ad-Mn⁺(H₂O)_x，从而增强催化剂表面对H₂O/OH^–的吸附。因此，在钌铱复合氧化物中引入水合金属，可能会增强催化剂表面对H₂O/OH^–的吸附，并提高催化剂的反应速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水合金属掺杂的钌铱复合氧化物材料及其制备方法和应用。

本发明提供的水合金属掺杂的钌铱复合氧化物材料，其中，钌的原子百分含量为20-40%，铱的原子百分含量为30-60%；水合金属为Mg、Ca、Sr或Ba等金属的一种，其原子百分含量为10-20%。总原子量为100%。简写为RuIrMOx，其中M代表Mg、Ca、Sr或Ba等水合金属。

本发明提供的水合金属掺杂的钌铱复合氧化物材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）称取1-5 g三氯化钌（RuCl₃）、0.5-2.5 g三氯化铱（IrCl₃）和0.1-0.8 g水合金属盐（MgCl₂、CaCl₂、SrCl₂或BaCl₂等），溶解在50-200 mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中；

（2）然后，将5-50 mL环氧丙烷和1-10 mL去离子水滴加在溶液中，并通过振荡使之充分混合；待溶液静置2-5天后，离心得到沉淀产物，并用丙酮清洗沉淀产物；

（3）待产物干燥后，将产物放入管式炉中，在空气氛围中以5-20℃/min 的升温速率升至300-800℃，并煅烧2-6小时，制备得到水合金属掺杂的钌铱复合氧化物材料。