[发明专利]碳纸载锰化钌催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳纸载锰化钌催化剂及其制备方法和应用，制备方法包括：将前驱体锰盐、聚乙烯吡咯烷酮和三氯化钌溶液混合，得到前驱体混合液；将清洗后的碳纸在前驱体混合液中浸渍，取出，烘干；常温下，烘干的碳纸在氢气下通气后，加热，烧结，降温；三氯化钌中钌元素和锰盐中锰元素的离子浓度配比为1:1，锰盐选自三氯化锰、Mn(NO₃)₃或Mn₂(SO₄)₃；本发明的碳纸载锰化钌催化剂作为电极在酸性电解水氧析出反应中应用；本发明通过在碳纸原位生长锰化钌合金催化剂，大大增强了钌的成键键强，从而明显地增强了稳定性，降低溶解速度，并在表面氧化形成了键强更强的钌氧化物，进一步大大提高了钌基催化剂在酸性电解水中的稳定性。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种碳纸载锰化钌催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

酸性电解水氧析出主要依赖于贵金属钌(Ru)与铱(Ir)基催化剂，其中Ir贵金属储量极低，相比之下，Ru的催化性能更高且价格更低，但是Ru基催化剂的稳定性相对较差。目前通过对Ru进行掺杂合成合金或氧化物，从而提高其性能及稳定性。

质子交换膜电解水具有结构紧凑、低阻抗、电流密度高等特点，而质子交换膜的强酸性环境以及电解水的高电压，对催化剂有很强的腐蚀作用，使得大多数贱金属会发生溶解析出。目前能在酸性中使用的催化剂大多为贵金属Ru及Ir基催化剂，而Ir的极度稀有使其广泛使用受限。Ru及电化学析氧(OER)催化剂催化性能优异，但稳定性较弱，文献中酸性环境电解水催化剂的定电压测试(10mA/cm²对应电压值)或定电流稳定性(10mA/cm²)测试时长大部分不超过50h。Ru基催化剂的低稳定性限制了其在酸性氧析出反应中的进一步普及利用。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种碳纸载锰化钌催化剂及其制备方法和应用。本发明通过蘸取法(dip-coating)方法原位生长催化剂，即将碳纸(carbonfiber paper,CFP)表面蘸取前驱体混合液，之后在氢气气氛中进行还原烧结，得到原位生长的碳纸载锰化钌(RuMn)合金催化剂。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

第一方面，本发明提供了一种碳纸载RuMn催化剂的制备方法，其包括如下步骤：

(1)、将前驱体锰盐、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和三氯化钌(RuCl₃)溶液混合，得到前驱体混合液；

(2)、将清洗后的碳纸在前驱体混合液中浸渍，取出后进行烘干；

(3)、常温下，步骤(2)烘干的碳纸在氢气气氛下通气后，加热，然后烧结，降温，得到碳纸载RuMn催化剂；

步骤(1)中，RuCl₃中Ru元素和锰盐中Mn元素的离子浓度配比为1:1。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(1)中，锰盐选自MnCl₃、Mn(NO₃)₃和Mn₂(SO₄)₃中的一种以上。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(2)中，浸渍的时间为10-20s。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(2)中，烘干的温度为40-70℃，烘干的时间为10-20min。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(3)中，常温通气时间为1-2h。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(3)中，加热时升温的速率为4-6℃/min，加热的温度为800-1000℃。

作为本发明的一种优选实施例，步骤(3)中，烧结的时间为7-8h。