[发明专利]一种钌原子级负载的氧化锰催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种钌原子级负载的氧化锰催化剂及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：1)将混合溶液进行水热反应后，过滤、洗涤、干燥，获得固体产物；混合溶液包括锰盐、氧化剂、孔道填充剂和水；2)将固体产物和钌盐在溶剂水中进行反应，过滤、洗涤、干燥、焙烧、冷却，获得催化剂。通过该制备方法获得钌原子级负载的氧化锰催化剂，将原子级均匀分散的钌元素组分锚定在酸性介质稳定的氧化锰纳米线外表面，有效提高钌金属活性位点的分散效果，优化活性位点的电荷分布结构，提高活性位点的本征活性和稳定性，作为酸性电解质条件下电解水制氢电解池阳极材料，应用于酸性条件下电解水制氢电解池中，具有优异的酸性析氧反应催化活性和稳定性。

技术领域

本发明属于纳米材料、能源技术的技术领域，涉及一种钌原子级负载的氧化锰催化剂及其制备方法和应用，具体涉及一种酸性稳定的析氧反应催化材料即电解水制氢阳极材料及其制备方法和在电解水制氢领域中的应用。

背景技术

风能，潮汐能以及太阳能等可再生能源发电近年来逐步成为最为廉价的发电技术。将可再生能源转化为“燃料”，是应对未来化石燃料枯竭和气候变化的重要可再生能源策略。利用可再生能源电解水制氢，是目前最为可行的大规模可再生能源存储和利用的技术之一。在众多电解水技术中，质子交换膜(PEM)电解水技术受到广泛关注。电催化析氧反应(OER)是该电催化能源转化技术中重要的阳极半反应。然而，OER在动力学上较为缓慢，需要高效的析氧电催化剂来降低反应能垒，从而加速反应的进行。虽然经过不懈的努力现如今已开发出大量高效且稳定的碱性OER催化剂，然而在酸性OER电催化剂的发展上却收效甚微。由于在酸性PEM电解池中进行电催化反应具有更高的传质速度、产物纯度以及反应效率等优势，开发高效的酸性OER电催化剂具有更重要的大规模产业化应用意义。时至今日，仍然缺乏高活性且稳定的酸性OER电催化剂，这大大阻碍了电催化能源转化反应在酸性介质中发展。目前，虽然RuO₂是本征活性最高的酸性析氧催化剂，但是其储量有限，成本高昂，为降低贵金属用量和催化剂成本，需要尽可能提高贵金属的利用率。通过最大限度提高贵金属分散度，增加单位面积活性位点密度是减少贵金属用料和提高贵金属利用率的最行之有效的方法。常见的策略是将贵金属纳米粒子负载在耐腐蚀高比表面积的导电载体上，如RuO₂/CNT和RuO₂/Gr,但该体系中活性组分和载体相互作用力相对较弱，活性位点分散度有限，易于团聚，催化剂活性和稳定性并不理想。

氧化锰是最常见的酸性稳定的过渡金属氧化物，且成本低廉，环境友好，对人体无害，被公认为最具潜力的高稳定性非贵金属酸性OER催化剂。且氧化锰在酸性的电解析氧反应环境下，可通过自修复机制实现锰离子在氧化锰表面的二次沉积，这一机制大大提高了其在酸性反应体系中的耐受能力和性能稳定性。然而，受限于氧化锰较高OER反应能垒，单一氧化锰纳米材料无法满足商业化需求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钌原子级负载的氧化锰催化剂及其制备方法和应用，以解决现有酸性OER催化剂种类少，活性低、稳定性差的问题。通过本发明制备方法获得钌原子级负载的氧化锰催化剂，能够将原子级均匀分散的钌元素组分锚定在酸性介质稳定的氧化锰纳米线外表面，有效提高钌金属活性位点的分散效果，优化活性位点的电荷分布结构，提高活性位点的本征活性和稳定性，在酸性电解质环境下长周期稳定运作，以解决阳极材料在酸性电解质环境下稳定性差的问题，具有长寿命。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种钌原子级负载的氧化锰催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将混合溶液进行水热反应后，过滤、洗涤、干燥，获得固体产物；所述混合溶液包括锰盐、氧化剂、孔道填充剂和溶剂水；

2)将所述固体产物和钌盐在溶剂水中进行反应，过滤、洗涤、干燥、焙烧、冷却，获得催化剂。

优选地，步骤1)中，还包括如下技术特征中的至少一项：

1a)所述锰盐选自硫酸锰、乙酸锰、硝酸锰和氯化锰中的至少一种；