[发明专利]一种钌基过渡金属氧化物固溶体的电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及能源化工和纳米材料技术领域，公开了一种钌基过渡金属氧化物固溶体的电催化剂及其制备方法和应用；所述电催化剂为具有金红石型结构的固溶体，化学式为M_1‑xRu_xO₂，其中M为锰、钒或铬，x为钌原子数，0.2≤x≤0.5；其制备方法包括如下步骤：(1)将具有强氧化性的高价过渡金属盐溶液、氯化钌溶液加至过渡金属盐溶液中，经反应得到无定形的氧化物粉末；(2)将步骤(1)制备的氧化物粉末干燥后焙烧，得到所述钌基过渡金属氧化物固溶体。该催化剂应用于电解水析氧反应中具有较高的析氧反应活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及能源化工和纳米材料技术领域，具体涉及一种钌基过渡金属氧化物固溶体的电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

能源问题是人类社会面临的重大课题，无论生产、生活都离不开能源的消耗。目前被广泛使用的仍是化石能源，但人们对全球变暖等环境问题的重视与日俱增，对绿色清洁能源技术的研发已然取代传统化石能源成为研究热点；电解水技术作为一种环保高效产生绿色氢能的技术受到广泛关注，然而其阳极水分解析氧反应动力学势能过大，一直是限制其发展关键因素之一。

在学者们的不断探索下，近年来在设计及制备水裂解析氧电催化剂方面取得颇多成果，包括贵金属基(Ru、Ir)、过渡金属基(Cr、Mn、Fe、Co、Ni)氧化物及其杂合化物(N、S、Se、Te)催化剂在内的研究，都表现出了良好的电催化水分解析氧性能。但是由于非贵金属在酸性条件下析氧稳定性差，因此开发低含量贵金属基电催化剂逐渐成为研究酸性电催化水分解析氧反应的热点，尤其是对活性较高的二氧化钌进行改性。

如公开号为CN110820005A的中国专利文献公开了一种高效稳定的二氧化钌基酸性析氧电催化剂的制备方法，该方法以碳布为其底，将三氯化钌溶液浸渍涂覆在碳布上，然后进行加热处理，使三氯化钌氧化为二氧化钌，所得的二氧化钌呈纳米级颗粒负载在碳布上。该方法需要使用大量三氯化钌溶液，难以解决成本高的问题。

又如公开号为CN104888767A的中国专利文献公开了一种高活性的贵金属氧化物催化剂的制备方法。该催化剂的活性组分为贵金属Ru、Ir、Rh的氧化物，载体为TiO₂或经TiO₂改性的SiO₂、Al₂O₃、SnO₂等廉价氧化物。尽管该发明专利显著提高了贵金属氧化物的分散度，从而获得了在TiO₂或经TiO₂改性的廉价氧化物为载体上高度分散的贵金属氧化物催化剂，但所用载体氧化物电催化性能较差，无法应用于酸性电解水析氧反应。

CN104492426A公开了一种改性二氧化锰催化剂及改性二氧化锰催化剂电极和制备方法，通过浸渍法制得的由同时掺杂有氟离子和金属离子的纳米二氧化锰负载在同时具有金红石晶体结构和氧缺位结构的金属氧化物载体上构成的催化剂；改性二氧化锰催化剂及电极具有电流效率高、使用寿命长的特点，且制备方法操作简单、成本低，满足工业化生产，但由于该类催化剂的主要活性位点是锰，其本征析氧催化活性较低，难以承受工业酸性电解水的高电流，高腐蚀性的反应环境。

与掺杂金属或非金属离子、制造氧缺陷、结合非贵金属化合物等改性手段相比，固溶体保有晶体的结构和特性，且对贵金属含量需求小，是未来改性二氧化钌的方向之一。因此，研制出一种成本低、活性高、稳定性好且易于大规模合成的二氧化钌基电催化剂成为目前尚待解决的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种钌基过渡金属氧化物固溶体的电催化剂，利用过渡金属前驱体与钌前驱体形成一种金红石型结构的M_1-xRu_xO₂固溶体的催化剂，该催化剂应用于酸性电解水的阳极材料产生O₂，具有高的催化活性和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是