[发明专利]一种用于酸性环境下电解水制氢的双电极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及电解水制氢材料技术领域,具体涉及一种用于酸性环境下电解水制氢的双电极材料及其制备方法；采用水热法和退火法结合制备二氧化钌负载在碳球上、或二氧化铈负载在碳球上、或二氧化钌/二氧化铈异质结负载在碳球上得到用于阳极析氧和阴极析氢的双功能电催化剂，将双功能电催化剂滴涂在碳纸上得到双电极材料；本发明制备的电极在酸性环境下具有较低的析氧和析氢过电位，在长期酸性电解条件下表现出良好的结构稳定性和较好的全水解催化活性。该制备工艺简单，贵金属含量低，电极组分和种类可调，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及电解水制氢材料技术领域,具体涉及一种用于酸性环境下电解水制氢的双电极材料及其制备方法。

背景技术

氢能作为清洁高效的二次能源，是可再生能源大规模发展储存和消纳的主要手段。氢能产业可以推动我国能源及装备制造业转型升级。水电解制氢是可再生能源大规模制氢的主要方式，是整个氢能产业发展的重要基础。

在众多制氢技术中，质子交换膜(PEM)电解水制氢因为效率高，占用空间小，气体分离纯度高，与风电、光伏具有良好匹配性等优势，成为极具前景的绿色制氢技术。但目前PEM电解水制氢只占极少市场份额，根源在于PEM膜电极关键材料催化剂成本过高。

Ru属于Pt族贵金属元素，在电解水中Ru基材料因其突出的催化性能，pH的普适性以及在贵金属中价格最便宜等优点而受到研究者的关注。但是，Ru基材料存在严重的稳定性问题，特别是在OER电催化过程中，由于高电压导致RuO₂非常不稳定，易氧化为RuO₄溶解流失，严重影响其实用性。前期的研究表明，金属掺杂是提高过渡金属氧化物电催化活性的有效策略，杂原子的掺入可以有效提高电导率并改变电子结构，多金属氧化物种不同的金属位点协同作用可以大幅提高催化剂的活性和稳定性。催化剂的界面改性优化是提升Ru基催化剂活性和改善其稳定性的另一种途径，将Ru基材料负载在高导电的载体上，提高贵金属原子利用率，可以在保持催化活性的同时降低贵金属的用量，节约成本。因此，研发低成本、高效、酸性稳定的电催化材料是突破PEM电解水技术规模应用的核心问题，如何在兼具高催化活性和高原子利用率的基础上，构筑长程催化稳定的Ru基催化剂是解决此类难题的关键。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提供一种用于酸性环境下电解水制氢的双功能电催化剂。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种用于酸性环境下电解水制氢的双功能电催化剂，采用水热法和退火法结合制备二氧化钌负载在碳球上、或二氧化铈负载在碳球上、或二氧化钌/二氧化铈异质结负载在碳球上得到用于阳极析氧和阴极析氢的双功能电催化剂。

本发明还提供一种用于酸性环境下电解水制氢的双电极材料，采用如上述的双功能电催化剂制备得到，即将双功能电催化剂滴涂在碳纸上得到双电极材料。

另外，本发明还提供上述一种用于酸性环境下电解水制氢的双电极材料的制备方法，包括以下步骤：

1）将氯化钌（RuCl₃·xH₂O）、硝酸铈（Ce(NO₃)₃·6H₂O）和葡萄糖加入水中，搅拌溶解；

2）将上述溶液置于聚四氟乙烯水热釜中180℃水热10h，冷却后用水和乙醇交替洗涤离心3次；

3）将离心产物在400℃，空气气氛下退火2h，得到二氧化钌/二氧化铈异质结负载在碳球上的双功能电催化剂，将双功能电催化剂滴涂在碳纸上得到双电极材料。

进一步的，步骤1）中所述氯化钌和硝酸铈的摩尔比为1：1。

进一步的，步骤2）所述退火温度升温速率为5℃/min。

进一步的，步骤1）中所述葡萄糖的浓度为5mol/L。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：