本發(fā)明屬于催化劑材料制備，尤其涉及一種釕鉭復(fù)合電催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、為了實現(xiàn)能源向清潔綠色和可持續(xù)化方向發(fā)展，以及降低能源危機和環(huán)境問題的危害，新型能源的探索開發(fā)一直是世界各國的重要研究領(lǐng)域。氫能具有高熱值、低污染、儲量豐富等優(yōu)點，理論上是最具潛力和理想的新型能源。由于水是唯一可用的無化石氫氣來源，所以電解水技術(shù)已成為連接清潔能源與可持續(xù)發(fā)展目標中提供氫氣的最可行的方法之一。目前電解水制氫技術(shù)的主要有兩種路線，分別為堿性電解水技術(shù)(awe)和質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)(pem)。而與堿性電解水技術(shù)相比，質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)具有氫氣純度高、電流密度大(＞1a/cm2)、能源效率高(74％～87％)、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)勢，尤其適合與間歇性可再生電力匹配。因此，質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)被認為是最具發(fā)展前景的電解水制氫技術(shù)。

2、常用的電解水催化劑主要為銥基催化劑、氧化銥基催化劑和氧化釕催化劑。其中氧化釕(ruo2)作為酸性電解水催化劑，相比于其他兩種催化劑，具有成本低、活性高的優(yōu)勢。但由于工作介質(zhì)的強酸性和工作電位范圍內(nèi)易形成高價氧化物ruo4，使得氧化釕催化劑在酸性析氧反應(yīng)(oer)過程中往往伴隨著釕的氧化和溶出，最終導致釕的活性位點減少和催化劑的析氧反應(yīng)性能的衰減。為了提高氧化釕基電催化劑的性能，有必要提高活性位點的使用效率。而在提升氧化釕基催化劑的活性同時提高催化劑的穩(wěn)定性，對于氧化釕催化劑的發(fā)展和商業(yè)化進程，意義顯著。

3、公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中氧化釕催化劑活性位點小、穩(wěn)定性差，缺乏簡單、安全、高效制備方法的技術(shù)問題，提供一種釕鉭復(fù)合電催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

2、本發(fā)明第一方面提供一種釕鉭復(fù)合電催化劑，所述釕鉭復(fù)合電催化劑具有核殼結(jié)構(gòu)，所述氧化釕為核，所述五氧化二鉭為殼，所述五氧化二鉭殼上具有孔道。

3、在一些實施方式中，所述氧化釕為催化活性中心，所述五氧化二鉭為保護外殼；

4、和/或，所述釕鉭復(fù)合電催化劑不包括分散劑、造孔劑。

5、在一些實施方式中，所述釕鉭復(fù)合電催化劑為納米顆粒，所述釕鉭復(fù)合電催化劑納米顆粒的粒徑為150～200nm；

6、和/或，所述釕鉭復(fù)合電催化劑的比表面積在300～350m2/g范圍內(nèi)；

7、和/或，所述釕鉭復(fù)合電催化劑的孔道的容積為0.15～0.25cm3/g。

8、本發(fā)明第二方面提供一種釕鉭復(fù)合電催化劑的制備方法，在釕膠體表面形成草酸鉭膠體，得到前驅(qū)體；

9、將所述前驅(qū)體熱處理后得到所述釕鉭復(fù)合電催化劑。

10、在一些實施方式中，所述釕膠體通過將釕鹽和絡(luò)合配體進行絡(luò)合反應(yīng)得到。

11、在一些實施方式中，所述釕鹽為可溶性釕鹽，優(yōu)選的，所述釕鹽為氯化釕，乙酸釕，乙酰丙酮釕中的一種或多種；

12、和/或，所述絡(luò)合配體為檸檬酸鈉、乳酸鈉、聚丙烯酸鈉中的一種或多種。

13、在一些實施方式中，在釕膠體表面形成草酸鉭膠體包括：

14、向所述釕膠體中加入草酸鹽溶液，攪拌，草酸離子被吸附在所述釕膠體表面；

15、然后加入鉭酸鹽溶液，加熱反應(yīng)，鉭離子和草酸離子發(fā)生二次絡(luò)合，在釕膠體表面形成一層草酸鉭膠體，得到所述前驅(qū)體。

16、在一些實施方式中，所述草酸鹽為水溶性草酸鹽，優(yōu)選的，所述草酸鹽為草酸鈉、草酸鉀、草酸銨中的一種或多種；

17、和/或，所述鉭酸鹽溶液為鉭酸鹽溶于乙二醇水溶液中獲得的溶液，優(yōu)選的，所述鉭酸鹽為鉭酸鈉、鉭酸鉀、鉭酸銨中的一種或多種。

18、在一些實施方式中，所述熱處理包括：在空氣氛圍下高溫處理，處理溫度為300～800℃；優(yōu)選的，所述高溫熱處理時間為1～3h；

19、和/或，所述高溫處理的升溫速率為2～10℃/min。

20、本發(fā)明第四方面提供上述的釕鉭復(fù)合電催化劑或者上述的制備方法制備得到的釕鉭復(fù)合電催化劑作為電解水催化劑的應(yīng)用。

21、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明達到的技術(shù)效果如下：

22、(1)本發(fā)明提出了一種連續(xù)絡(luò)合法結(jié)合原位熱分解法的催化劑制備工藝路線，制備的催化劑以五氧化二鉭(ta2o5)為外殼包覆氧化釕(ruo2)形成核殼結(jié)構(gòu)，其中ruo2為活性中心，催化電解水析氧反應(yīng)的進行，而ta2o5外殼具有良好的耐酸堿性，在酸性電解液可穩(wěn)定存在，能夠有效提高催化劑穩(wěn)定性。

23、(2)本發(fā)明采用連續(xù)絡(luò)合法，先將釕離子和絡(luò)合配體進行絡(luò)合反應(yīng)得到釕膠體，加入草酸后，草酸被吸附在釕膠體表面，進一步加入鉭鹽后鉭離子和草酸發(fā)生二次絡(luò)合，在釕膠體表面形成一層草酸鉭膠體，相比于常規(guī)的浸漬法，該方法得到的核殼結(jié)構(gòu)更加均勻高效。

24、(3)在原位熱處理過程中，釕膠體和草酸鉭膠體同時分解，生成的水和co2以氣體形式逸出，在高溫下能夠有效抑制納米顆粒間的團聚，同時在ta2o5外殼形成大量孔道結(jié)構(gòu)，有利于充分暴露ruo2活性位點和催化傳質(zhì)過程的進行，無需引入額外的分散劑和造孔劑，使制備過程更加簡單，能夠有效降低制備成本和工藝復(fù)雜程度。

技術(shù)特征：

1.一種釕鉭復(fù)合電催化劑，其特征在于，所述釕鉭復(fù)合電催化劑具有核殼結(jié)構(gòu)，所述氧化釕為核，所述五氧化二鉭為殼，所述五氧化二鉭殼上具有孔道。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釕鉭復(fù)合電催化劑，其特征在于，所述氧化釕為催化活性中心，所述五氧化二鉭為保護外殼；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釕鉭復(fù)合電催化劑，其特征在于，所述釕鉭復(fù)合電催化劑為納米顆粒，所述釕鉭復(fù)合電催化劑納米顆粒的粒徑為150～200nm；

4.一種釕鉭復(fù)合電催化劑的制備方法，其特征在于，包括：在釕膠體表面形成草酸鉭膠體，得到前驅(qū)體；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述釕膠體通過將釕鹽和絡(luò)合配體進行絡(luò)合反應(yīng)得到。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述釕鹽為可溶性釕鹽，優(yōu)選的，所述釕鹽為氯化釕，乙酸釕，乙酰丙酮釕中的一種或多種；

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在釕膠體表面形成草酸鉭膠體包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述草酸鹽為水溶性草酸鹽，優(yōu)選的，所述草酸鹽為草酸鈉、草酸鉀、草酸銨中的一種或多種；

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述熱處理包括：在空氣氛圍下高溫處理，處理溫度為300～800℃；優(yōu)選的，所述高溫熱處理時間為1～3h；

10.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的釕鉭復(fù)合電催化劑或者根據(jù)權(quán)利要求4-9中任一項所述的制備方法制備得到的釕鉭復(fù)合電催化劑作為電解水催化劑的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種釕鉭復(fù)合電催化劑及其制備方法與應(yīng)用，屬于催化劑材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明釕鉭復(fù)合電催化劑，所述釕鉭復(fù)合電催化劑具有核殼結(jié)構(gòu)，所述氧化釕為核，所述五氧化二鉭為殼，所述五氧化二鉭殼上具有孔道。發(fā)明提出了一種連續(xù)絡(luò)合法結(jié)合原位熱分解法的催化劑制備工藝路線，制備的催化劑以五氧化二鉭(Ta<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;)為外殼包覆氧化釕(RuO<subgt;2</subgt;)形成核殼結(jié)構(gòu)，其中RuO<subgt;2</subgt;為活性中心，催化電解水析氧反應(yīng)的進行，而Ta<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;外殼具有良好的耐酸堿性，在酸性電解液可穩(wěn)定存在，能夠有效提高催化劑穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：黃超,鄧翔,龔志威,朱兆宇,王凡,裴曉東
受保護的技術(shù)使用者：中鋼集團南京新材料研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6