[发明专利]质子交换膜水电解电池负载型氧电极催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能源技术领域的催化剂的制备方法，具体是一种质子交换膜水电解电池负载型氧电极催化剂的制备方法。

背景技术

近些年来，使用氢气和氧气作为能量介质的清洁能源-质子交换膜燃料电池，获得了高速发展。但是，影响它们商业化进展的主要障碍是如何直接产生和提供高纯氢气。考虑到保护生态和减少矿物能源的使用等情况，最具发展前途和简单的制氢途径是由可再生能源-太阳能、风能或潮汐能等提供直流电进行的水电解制氢。随着载人航天技术的发展以及航天活动范围的不断扩大和时间的不断延长，针对空间飞行器中有着相对丰富的水源(水箱中的水，回收的使用水，大气再生系统中的还原水等)，利用水电解供氧也已经成为在进行长期空间飞行过程中氧气来源的最重要方案。酸性水电解尤其是质子交换膜水电解与传统的碱性镍电极水电解相比，采用质子交换膜作为电解质，电解时系统中没有游离的酸或碱液，不会产生腐蚀问题，水是唯一的自由液体，产气率高，重量-体积和动力消耗显著减少(这一点对于用在载人航天器上尤其重要)，气体纯度以及安全性更高等优势，受到了人们的高度关注。质子交换膜水电解技术的开发对于航空航天事业以及清洁能源技术的发展具有非常重大的意义。

虽然质子交换膜水电解与碱性水电解相比有很多的优势，但是催化剂的高成本限制了它的实际应用。为了降低催化剂成本，通常将贵金属催化剂负载在一定的导电载体上，以增大催化剂的利用率，降低载量。质子交换膜水电解氢电极催化剂通常采用碳负载的贵金属铂(Pt)催化剂，而析氧造成的腐蚀限制了碳材料在氧电极载体方面的应用，氧电极多采用Ir、钌(Ru)或钯(Pd)等贵金属或者它们的氧化物作为催化剂。

经对现有技术的文献检索发现，Lopez Marco，Schleunung Andreas和Biberbach Peter在2005年6月2日公开的名称为“Precious metal oxidecatalyst for water electrolysis”的专利WO 2005/049199 A1中提出使用一些金属氧化物作为载体负载Ir和Ru的氧化物，能明显增大催化剂的比表面积和催化活性，但是，在其制备的负载催化剂中，为克服氧化物载体的低导电率问题，采用了较低的载体含量(低于20wt.％)，即，贵金属含量高于80％。由于Ir、Ru和Pd都是贵金属，资源稀少，价格昂贵，氧电极使用无负载或者较高贵金属含量的负载型催化剂时，贵金属载量高，因此存在催化成本较高的问题。

发明内容

本发明针对质子交换膜水电解氧电极贵金属催化剂载量高而导致的高催化成本问题，提供一种质子交换膜水电解电池负载型氧电极催化剂的制备方法，使其利用具有良好导电性能以及抗氧化腐蚀的碳化物纳米材料作为分散贵金属催化剂的载体，采用超声波浸渍还原沉积的方法，将贵金属沉积到载体上，形成较低贵金属含量的电催化剂，该方法制备的负载型催化剂，进一步降低了贵金属催化剂载量，显著提高了催化剂的催化活性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用超声波浸渍还原沉积制备，以导电的耐腐蚀性材料作为载体，制成对于氧析出反应具有较高电催化活性的电催化剂。耐腐蚀性载体材料为纳米碳化物。负载的对于氧析出反应具有较高电催化活性的电催化剂为贵金属铱(Ir)、钌(Ru)、钯(Pd)和铂(Pt)等其中的一种或者几种的混合物或者合金。

本发明包括以下步骤：

第一步：将耐腐蚀的纳米碳化物中加入醇类溶剂和二次蒸馏水混合并超声分散，制成悬浊液。

所述醇类溶剂为异丙醇。

第二步：在制备的悬浊液中按计量比加入贵金属的可溶性化合物，超声分散并加热。计量比为活性组分在负载催化剂中的质量百分比约为10％-40％。

所述贵金属的可溶性化合物为(NH₂)₂IrCl₆、RuCl₃·xH₂O、[Pd(NH₃)₄]Cl₂和H₂PtCl₆·6H₂O等中一种或者几种。

所述加热，其温度为80℃-100℃。

第三步：以上浆液恒温保持后，加入还原剂溶液，超声反应，冷却至室温。

所述浆液恒温保持，其保持时间为40分钟-60分钟。

所述超声反应，其时间为1小时-1.5小时。