[发明专利]一种金属铱表面修饰铂的双效氧电极催化剂的制备与应用

说明书

本发明公开了一种在载体金属铱表面修饰铂的双效氧电极催化剂的制备方法，作为载体的金属铱同时具有氧析出功能，通过贵金属诱导金属离子还原反应于金属铱表面修饰具有催化氧还原功能的贵金属铂。由于金属铱具有良好的氧析出活性，金属铂具有良好的氧还原活性，该催化剂可应用于一体式可再生燃料电池氧电极中。与简单的商业化催化剂铱黑与铂黑的机械混合物相比，该类双效氧电极催化剂在不牺牲氧析出活性的同时，可使氧还原性能明显提高。此外，本发明方法不使用任何有机试剂，因此对环境十分友好，符合绿色发展要求。

技术领域

本发明涉及一种双效氧电极催化剂的制备方法，具体说是一种应用于一体式可再生燃料电池氧电极的催化剂，属于电化学领域。

背景技术

一体式可再生燃料电池(URFC)是在聚合物电解质燃料电池和聚合物电解质水电解池基础上发展起来的一种能量转换和存储装置，该装置能量密度高(400-1000Wh/Kg)、长期存储无自放电损失、不受放电深度影响，更为重要的是其在水电解模式工作时产生的高压H₂和O₂不仅可用于空间飞行器的姿态控制，还可用于宇航员的生命保障系统，因此可用于空间电源。此外，URFC还可在陆地或海上与太阳能、风能等可再生能源配合使用，也可作为独立分布式移动电源系统用于远离电网供电的居民区、通信站和军事基地等供电。因此，世界主要国家非常重视URFC技术的研究开发。

双效氧电极是URFC的核心部件之一，其中使用的催化剂需要具有催化氧还原和氧析出的双重功能。目前，酸性条件下常用的析氧催化剂是铱黑或其氧化物，该类催化剂具有较好的析氧活性和稳定性，但是其氧还原活性较差，特别是铱黑表面被氧化后，不仅会使铱黑彻底失去氧还原活性，还会降低铱黑的电子传导速率(因为氧化铱是半导体)，不利于电化学反应。有研究人员在金属铱表面还原沉积金属铂(Pt目前被认为是最好的单金属氧还原催化剂)来提高金属铱的氧还原活性。例如Zhang,Geng等介绍了一种燃料电池用核壳结构双效氧电极催化剂的制备方法，具体说来是，首先利用强还原剂得到Ir纳米枝晶，然后利用弱还原剂在Ir表面沉积Pt，得到具有核壳结构的粒径分布在10～20nm的Ir@Pt纳米枝晶，该纳米枝晶不仅表现出优于铱黑的催化氧还原活性，而且具有比商业化铂黑与铱黑机械混合物更好的氧还原和氧析出活性。也有研究人员在氧化铱表面修饰金属铂来改善氧化铱的导电性，比如Zhang,Yining等利用化学还原法在IrO₂表面修饰上质量分数为5％的金属Pt纳米颗粒，然后Pt/IrO₂(5wt.％Pt)与商品Ptblack(1:1质量比)混合作双效催化剂，用于单电池评价，结果显示相比于商品Ptblack直接与IrO₂混合的催化剂，在FC模式下，该电池性能提升1.8倍，作者认为是修饰的Pt金属改善了IrO₂电子导电性的缘故。

不难看出，以上在金属铱或氧化铱表面修饰铂的制备方法中，无不用到公知的还原性试剂，有的还用到有机试剂作表面活性剂，不利于后期清洗催化剂(表面活性剂吸附在催化剂表面将不利于催化反应)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于一体式可再生燃料电池双效氧电极的催化剂的制备方法。

本发明一方面提供一种双效氧电极催化剂的制备方法，以具有催化氧析出功能的金属铱为载体，通过贵金属诱导金属离子还原反应把具有催化氧还原功能的贵金属铂原位还原修饰在金属铱表面。

作为优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：

(1)将Pt的前驱体溶解在去离子水中，浓度为0.0001mol/L～0.05mol/L，得混合溶液；

(2)将金属Ir加入去离子水中，浓度为0.001mol/L～0.1mol/L，超声分散均匀，得分散液；

(3)将所述分散液加热到一定温度；

(4)将所述混合溶液加入经步骤(3)处理的分散液中，在所述一定温度下反应一段时间，得产物；