[发明专利]铅掺杂低温合成的钌酸钇催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及铅掺杂低温合成的钌酸钇催化剂及其制备方法和应用，所述的钌酸钇催化剂的分子式为Y_2‑xPb_xRu₂O₇，其中0x2；由低温热处理后得到，显著降低了形成钌酸钇烧绿石结构的温度。本发明所提供的制备方案简单，铅的掺杂促进了烧绿石结构的形成，可以显著降低烧绿石结构形成温度来制备所述的钌酸钇催化剂，降低了催化剂制备的能耗成本，对其他烧绿石结构具有普适性，制得的催化剂可广泛应用于硫酸等酸性介质的电催化氧析出反应，稳定性好。

技术领域

本发明属于能源材料，尤其是电化学材料制备技术领域，具体涉及铅掺杂低温合成的钌酸钇催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

风能、太阳能和水能等清洁能源消费占一次能源消费的比例越来越大，据估计2030年清洁能源的消费比例将从2020年的25.3％升高至41％，到2060年清洁能源消费进一步提高至90％。我国可再生能源富集区的瞬时总量可达187.3GW，潜能巨大。但是可再生能源的供给端存在波动性大，分散不均的问题，而需求端也存在大量的随机需求者，对电力的使用需求也存在随机性，导致当前清洁能源的浪费现象严重，最高风能发电的弃置率高达39％。所以急需好的储能技术来解决供给端与需求端之间的随机性导致的时效和地域不匹配问题。氢能作为一种公认的清洁二次能源，具有零排放、效率高、热值高以及可通过电解池在可再生能源供应和消耗之间循环的优点，因此将间断性电力通过电解水的方式转换为氢气储能的技术在近年来开始兴起，发展电解水技术是关键点之一。电解水过程中的关键步骤，是该反应的主要的过电位来源，即氧气析出反应(Oxygen evolution reaction,OER)，其缓慢的动力学过程造成额外的电能消耗，因此，需要开发高效的OER催化剂。目前，钌基烧绿石结构的复杂金属氧化物被作为OER催化剂被广泛研究，以钌酸钇为例，其具有贵金属含量低、酸性介质中稳定性优异等优点，有望替代商业的IrO₂成为质子交换膜电解水装置的阳极催化材料。但这类材料的常规制备方法涉及到高温制备(1100℃)，且需要18～72h的保温时间，耗能巨大，因此降低钌基烧绿石结构材料的制备温度减少热处理时间是使其能够广泛应用的关键问题。

发明内容

为了解决现有制备烧绿石结构催化剂需要高温度、长时间的问题，本发明提供了一种铅掺杂低温合成的钌酸钇催化剂及其制备方法和应用，由低温热处理后得到，显著降低了形成钌酸钇烧绿石结构的温度。铅的掺杂大大促进了烧绿石结构晶体的形成，降低了该结构形成的温度和热处理时间，所得催化剂制备温度低、时间短，催化剂中钌、钇和铅以烧绿石结构存在，在硫酸等酸性介质中表现出优异的析氧催化活性和稳定性，可广泛用于涉及析氧反应的电解装置。本发明的制备方法耗能低，工艺简单，对于各类烧绿石类材料具有普适性，有望实现大规模生产。

本发明采用如下技术方案：一种铅掺杂低温合成的钌酸钇催化剂，所述的钌酸钇催化剂以烧绿石结构的颗粒存在，其分子式为Y_2-xPb_xRu₂O₇,其中 0x2。

本发明还保护一种铅掺杂低温合成的钌酸钇的制备方法，以钌、钇和铅的金属盐作为前驱体溶于水，加入水溶性有机物作为燃料，陈化形成凝胶，之后在较低温度下热处理，得到铅掺杂低温合成的钌酸钇催化剂。

本发明还保护所述催化剂的制备方法，以钌和钇金属盐作为前驱体溶于水，加入铅金属盐掺杂，加入水溶性有机物作为燃料，陈化形成凝胶，之后热处理制备铅掺杂低温合成的钌酸钇催化剂。

更进一步的，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)将钌盐、钇盐和铅盐溶于水，再加入水溶性有机物和氧化性酸得到澄清混合溶液；

(2)将步骤(1)中得到溶液充分烘干陈化，得到干燥的凝胶中间物质；

(3)将步骤(2)中的凝胶在较低温度下进行一步热处理，得到铅掺杂低温合成的钌酸钇催化剂。