[发明专利]一种PEM电解水阳极催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种PEM电解水阳极催化剂及其制备方法，属于纳米材料和催化技术领域。本发明阳极催化剂氧化物的化学式为A_xRu_1‑xO_2‑δ，其中A为过渡金属，制备方法是以可溶性Ru盐和可溶性过渡金属盐为原料，添加络合配体，采用改进的溶胶凝胶法，采用低温焙烧，所制得的纳米颗粒粒径小且均一。本发明制备工艺简单易行，前驱体盐选择灵活，制备的纳米催化剂对氧析出反应表现出高活性和高稳定性，为电解水制氢的商业化阳极催化剂提供了新的选择。

技术领域

本发明属于纳米材料和催化技术领域，具体涉及PEM电解水阳极催化剂的制备方法以及在PEM电解水器件中的应用。

背景技术

氢能长久以来都被人们视为终极能源，以光伏、风力发电和水电等可再生能源驱动的电解水制氢是一种很有前景的制氢策略。当前主要的电解水方案包括碱水电解，PEM电解水。相比于碱水电解，PEM电解水表现出快速响应、灵活的荷载电流以及生产的氢气纯净等优点，这些优势决定了其与波动的可再生能源更强的适配能力。因此，各国都在推进PEM的规模化应用。而这一过程中面临的主要挑战是高效稳定阳极催化剂的开发，由于大多数非贵金属在酸中的热力学不稳定性，不适于酸性条件下的OER，因此主要的研究集中于Ru、Ir等贵金属及其氧化物。目前绝大多数产品采用氧化铱作为OER催化剂，但其储量之稀少，价格之昂贵以及活性欠佳等问题，成为PEM器件推广的限制。相比于铱，钌的储量和价格相对可观，但其稳定性差的缺点不容忽视。因此对氧化钌的修饰改性以制备兼具高活性与高稳定性的钌基催化剂成为现实需求。

发明内容

本发明为解决上述现有技术存在的问题，提高了一种PEM电解水阳极催化剂，该催化剂为纳米氧化物颗粒材料，氧化物的化学式为A_xRu_1-xO_2-δ，A为过渡金属Ta、Nb、V、Mo、W、Zr、Ti、Y中的一种，其中x为摩尔分数并且0＜x＜1，0＜δ＜2。

本发明进一步提供了上述PEM电解水阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)按一定化学计量比配制含有可溶性Ru盐和可溶性过渡金属盐的混合溶液；

(2)配制络合配体分散液，调节pH值至9-10；

(3)将步骤1混合溶液与络合配体分散液混合，蒸发固化，得到金属螯合物前驱体；

(4)金属螯合物前驱体热解氧化得到改性纳米氧化钌颗粒。

其中，可溶性Ru盐为RuCl₃、Ru(acac)₃、Ru(CH₃COO)₃中的至少一种。

其中，过渡金属盐具体可在上述过渡金属的氯化盐、硝酸盐、有机酸盐以及醇盐中进行选择。

其中，步骤1中溶剂为水、甲醇、乙醇、丙酮或异丙醇。

其中，络合配体为含氧多元有机酸，优选的，络合配体为乙二醇双氨乙基醚四乙酸、乙二胺四乙酸、柠檬酸、乳酸或聚丙烯酸中的至少一种。

其中，络合配体与金属盐中金属的摩尔比为0.01-100。

其中，用碱性物质调节pH，碱性物质优选为氨水或乙二胺。

其中，蒸发固化的方法为加热搅拌蒸发、真空加热蒸发或冷冻干燥。

涉及到醇类等挥发性较强的溶剂时，优先选择加热搅拌蒸发，加热温度为80-110℃。

其中，金属螯合物前驱体在200-500℃下热解氧化。

优选的，金属螯合物前驱体在200-300℃下热解氧化。

进一步优选的，程序升温步骤为两步升温法，升温速率为1-5℃/min。