[发明专利]一种层状铱基钙钛矿纳米片催化剂、制备方法及其在电催化析氧反应中的应用

说明书

一种层状铱基钙钛矿纳米片催化剂、制备方法及其在电催化析氧反应中的应用，属于电解水析氧技术领域。本发明由层状铱基钙钛矿的合成、质子交换、插层剂插层、超声剥离等步骤制备得到纳米片催化剂。本发明以层状铱基氧化物为研究对象，利用其可控的质子交换和电荷平衡能力，抑制催化过程中表面重构和可溶性铱物种的形成，提高催化活性中心的结构稳定性。同时，利用层状材料的剥离能力，得到超薄铱基氧化物片层，提高表面铱位点密度，最大化铱原子利用率，提高催化活性。结合层状铱基氧化物在可控性质子交换、化学剥离方面的独特优势，构建了高催化活性和稳定性的新型酸性析氧催化体系。

技术领域

本发明属于电解水析氧技术领域，具体涉及一种层状铱基钙钛矿纳米片催化剂、制备方法及其在电催化析氧反应中的应用。

背景技术

由光伏、风电为代表的可再生能源电解水制得的氢(“绿氢”)被认为是能源转型成功的关键载体，已成为各国积蓄力量的焦点。质子交换膜(PEM)电解水是目前唯一能与波动性可再生能源发电系统有效耦合的制氢技术，可实现大规模、高效可再生能源的消纳，是实现电能到氢能转化的理想途径。阳极端析氧反应动力学缓慢，制约了水裂解的效率，因此发展在PEM酸性环境下高效且稳定工作的析氧催化剂十分重要。目前商用PEM电解槽析氧电极需要依赖于酸稳定的二氧化铱(IrO₂)催化剂，即使如此，析氧端通常会消耗电解槽总能耗的30-50％以克服较高的阳极过电势。此外，全球铱资源十分匮乏，储量不足贵金属铂的十分之一，使得铱价格极其昂贵，近两年铱价格约为1000-1500元/克，约是贵金属铂价格的5倍。因此，实现PEM电解槽规模化应用的关键之一是酸性析氧催化材料的革新。

在过去数年里，新型铱基氧化物析氧催化剂的研发已经取得了一系列重要进展。尤其是以铱基钙钛矿为代表的复合金属氧化物得到了广泛的关注，有望取代IrO₂。例如，铱基钙钛矿(如SrIrO₃)、铱基双钙钛矿(如La₂LiIrO₆、Ba₂YIrO₆)等表现出比IrO₂更高效的酸性析氧催化活性(Science,2016,353,1011-1014；Nat.Commun.,2016,7,12363；J.Am.Chem.Soc.,2021,143,18001-18009；Energy Environ.Sci.,2020,13,4178-4188)。但是，这些高性能的新型铱基催化剂通常面临一个两难处境：它们的高催化活性是以牺牲结构稳定性为代价的，在酸性析氧过程中铱脱溶和表面重构问题要比IrO₂更加突出，这种催化活性和结构稳定性之间此消彼长的反向关联，已成为制约新型高效铱基催化剂开发的严重障碍。

发明内容

针对目前铱基钙钛矿纳米片催化剂催化稳定性的不足，本发明以层状铱基氧化物为研究对象，利用其可控的质子交换和电荷平衡能力，抑制催化过程中表面重构和可溶性铱物种的形成，提高催化活性中心的结构稳定性。同时，利用层状材料的剥离能力，得到超薄铱基氧化物片层，提高表面铱位点密度，最大化铱原子利用率，提高催化活性。结合层状铱基氧化物在可控性质子交换、化学剥离方面的独特优势，构建高催化活性和稳定性的新型酸性析氧催化体系。

本发明的第一目的是提供一种层状铱基钙钛矿纳米片催化剂的液相剥离制备方法，包括层状铱基钙钛矿的合成、质子交换、插层剂插层、超声剥离等步骤，具体步骤如下：

(1)使用高温固相反应制备层状铱基钙钛矿，其步骤如下：将摩尔量n_a的SrCO₃和摩尔量n_b的Ir粉在玛钢砂浆中彻底研磨混合均匀，所得混合物在900～1000℃煅烧8～12h，升温至1100～1200℃煅烧8～12h，然后冷却至室温；

其中，n_a：n_b＝2：0.5～1，从而可以合成出层状铱基钙钛矿纯相；煅烧时优选的升温速度为2～5℃/min；