[发明专利]一种高比表面积多孔碳掺杂铱的电解水析氧催化剂的制备方法

说明书

本发明一种以MOF‑5为模板制备高比表面积多孔碳掺杂铱（HAPC/Ir）作为电解水析氧催化剂的方法，制得的材料应用到电极材料中，属于化学电源和新材料技术领域。本发明的技术方案要点为：利用浸渍法将铱离子浸渍到有机框架MOF‑5材料中得到前驱物并由此制备高比表面积多孔碳掺杂铱（HAPC/Ir）析氧催化剂。本发明方法、操作简单、对设备要求低、可以大批量制备高比表面积多孔碳材料。本发明工艺方法的特点是：一方面制提高了电解水阳极催化剂在酸性电解液中的耐腐蚀性，另一方面提高催化剂的稳定性。而制备所需原材料HAPC/Ir是温和、无毒，因而安全性强，加之部分材料来源广泛，具有良好的工业前景。

技术领域

本发明公开了一种采用简易的方法可大量制备高比表面积多孔碳掺杂铱（HAPC/Ir），并将其作为电解水阳极材料、构建高比表面积、高活性位点和低铱载量的电解水阳极催化剂材料。

背景技术

氢能在当今世界作为最有可能替代化石能源的清洁能源引起人们的广泛关注，质子交换膜水电解装置是一种高效无污染且环保的制氢方式。其中氧气析出反应（OER）是电解水的重要催化过程。 然而，OER反应需要大的过电势以获得足以实际应用的反应电流，加速OER动力学的电催化剂的合理设计近年来一直是OER研究的核心，常用的贵金属电解水阳极析氧催化剂有铂、钯、铱、钌等金属以及它们的合金。贵金属及贵金属氧化物具有强的催化活性和较低的析氧过电位，但是由于其储量有限，价格昂贵，不适宜大规模工业化应用。

强酸性环境中阳极催化剂也成为制约质子交换膜电解水技术发展的关键技术之一，二氧化铱以其高的催化活性成为酸性电解质条件下质子交换膜水电解应用最广泛的析氧催化剂。虽然其催化析氧反应活性较高，但是实际应用中仍需要高达3-5mg/cm²的载量导致水电解产氧的成本昂贵。

MOF-5作为金属有机框架材料具有高的热稳定性和耐酸耐碱的性能，此外其还具有高比表面面积和高孔隙率的特性。但是传统方法所制备的MOF-5材料往往结晶性差，颗粒尺寸过大，互穿现象较严重，反应周期较长等缺点。

基于上述问题，本发明提供一种能制备出高比表面积高比活性、耐酸、低成本和制备方法简单的以MOF-5为模板制备高比表面积多孔碳掺杂低含铱量的多孔碳掺杂铱（HAPC/Ir）材料的析氧催化剂的方法。

发明内容

为了便于书写与表达，在文件中，将有些技术术语以英文缩写字母来代表：MOF表示金属有机框架（Metal-Organic Frameworks），文中的MOF-5，即为金属锌有机框架物质，即为[Zn₄O(BDC)₃]，HAPC 表示为高比表面积多孔碳（High Area Porous Carbon），HAPC/Ir表示高比表面积多孔碳掺杂铱材料。

本发明要解决的技术问题是如何制备出具有高结晶度，颗粒尺寸小、低互穿现象的MOF-5和低铱载量的高比表面积的HAPC/Ir材料。

为解决上述技术问题，本发明给出颗粒尺寸小、低互穿现象的金属有机框架MOF-5和低铱载量的高比表面积多孔碳掺杂铱HAPC/Ir材料的制备方案，该方法所制得的HAPC/Ir材料具有良好的水电解析氧催化性能且制备成本低可大量生产。

本发明一种制备高比表面积多孔碳掺杂铱的电解水析氧催化剂的方法，其特征在于该方法具有以下工艺步骤：