一種銥-鈷氧化物納米顆粒及其制備方法和應用

本發明涉及電解水制氫，具體涉及一種銥-鈷氧化物納米顆粒及其制備方法和應用。

背景技術：

1、化石燃料的再生速度極慢，可持續性存在問題，促使全球能源系統正在向可再生能源轉變。氫能是一種綠色可再生能源，其具有高的能量密度(能量密度為142mj/kg，約為石油的3倍/煤的4.5倍)，且產物不含碳，具有廣闊的實際應用前景。眾所周知，利用風能、太陽能等可再生能源產生的電力進行電解水制氫的方法是一種高效綠色制氫方法，而開發成本低廉的電解水制氫裝置是關鍵。

2、在各種電解水裝置中，酸性質子交換膜電解槽(pem)由于具有更高的效率和更短的反應時間，應用前景更加廣闊。酸性質子交換膜電解槽的工作環境為強酸性環境，對陰/陽極的催化劑提出了嚴峻的挑戰，目前陰/陽極所使用的催化劑大多是能夠在強酸性環境下較為穩定存在的貴金屬(例如：pt、ir、ru等)單質/氧化物(例如：商業電解水陰極反應催化劑以pt/c催化劑為主，而陽極反應催化劑則以ir、ru單質/氧化物為主)。在電解水的過程中，陽極會發生氧析出反應(oer)，陰極則會發生氫析出反應(her)。her反應是2電子的轉移反應，而oer反應則是4電子的轉移反應，所以oer反應往往需要額外的電壓來驅動，最終才能夠完成整個電解水過程。研究表明，pt基催化劑的pt負載量只需要達到0.025mg/cm2～0.3mg/cm2便足以保持較高的her性能，而ir基催化劑的ir負載量則至少需要達到2mg/cm2才能夠促進oer反應的進行，因此陽極的oer反應的效率決定了pem電解裝置的效率。

3、目前，酸性電解水條件下使用的催化劑大多數都是在ir基催化劑和ru基催化劑的基礎上進行改性和設計的。ir基催化劑具有較高的穩定性，但其電化學性能還有待進一步提高。ru基催化劑與ir基催化劑相比通常能夠表現出更優異的電化學性能，但在電壓升高時ru基催化劑會被氧化溶解，穩定性較差。綜上可知，現有的ir基催化劑和ru基催化劑均存在明顯的缺陷，難以完全滿足實際應用要求。

4、因此，開發一種電化學活性高、電化學穩定性好的oer反應催化劑具有十分重要的意義。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種銥-鈷氧化物納米顆粒及其制備方法和應用。

2、本發明所采取的技術方案是：

3、一種銥-鈷氧化物納米顆粒，其組成包括四氧化三鈷載體和負載的氧化銥。

4、優選地，所述銥-鈷氧化物納米顆粒中的銥、鈷的摩爾比為1:0.1～0.5。

5、優選地，所述銥-鈷氧化物納米顆粒的平均粒徑為2nm～3nm。

6、一種如上所述的銥-鈷氧化物納米顆粒的制備方法包括以下步驟：

7、1)配制銥鹽-鈷鹽水溶液；

8、2)將氨水加入銥鹽-鈷鹽水溶液中調節溶液的ph值至7.5～8.5后進行反應，得到含有銥的銨鹽和鈷的配合物的反應液；

9、3)將氫氧化鈉加入含有銥的銨鹽和鈷的配合物的反應液中調節溶液的ph值至11～13后進行反應，再除去溶劑，得到氫氧化銥-鈷的配合物復合物；

10、4)將氫氧化銥-鈷的配合物復合物進行研磨，再置于含氧氣氛中進行熱處理，再進行水洗和干燥，即得銥-鈷氧化物納米顆粒。

11、優選地，步驟1)所述銥鹽為ircl3、h2ircl6、ircl4中的至少一種。

12、優選地，步驟1)所述鈷鹽為cocl2、co(no3)2中的至少一種。

13、優選地，步驟2)所述反應的時間為1h～2h。

14、優選地，步驟3)所述反應的時間為1h～2h。

15、優選地，步驟3)所述除去溶劑的方式為冷凍干燥，冷凍干燥在溫度為-60℃～-40℃的條件下進行，干燥時間為12h～24h。

16、優選地，步驟4)所述含氧氣氛為空氣氣氛。

17、優選地，步驟4)所述熱處理包括以下操作：先控制升溫速率為1℃/min～3℃/min從室溫(25℃±5℃)升溫至300℃～600℃，再保溫1h～4h。

18、一種析氧反應催化劑，其包含上述銥-鈷氧化物納米顆粒。

19、一種如上所述的銥-鈷氧化物納米顆粒在電解水制氫中的應用。

20、本發明的有益效果是：本發明的銥-鈷氧化物納米顆粒的銥含量低、粒徑小且均一，且其制備方法簡單，用作oer反應催化劑具有電化學活性高、電化學穩定性好等優點，適合在電解水制氫領域進行大規模工業化應用。

21、具體來說：

22、1)本發明利用四氧化三鈷對氧化銥進行摻雜，使得氧化銥在高電位下仍能保持穩定結構，提高了催化劑的穩定性；

23、2)本發明利用四氧化三鈷對氧化銥進行摻雜，不僅提高了催化劑的催化活性，而且還有效提高了催化劑在長時間使用后的穩定性，降低了析氧反應的過電位；

24、3)本發明通過先后加入不同的堿性物質使反應分步發生，分步處理可以使氫氧化銥在載體上的負載更加均勻，再在含氧氣氛中進行熱處理形成過渡金屬氧化物摻雜的納米催化劑，最終得到的催化劑的粒徑更均勻、粒徑更小、催化活性更加優異；

25、4)本發明的銥-鈷氧化物納米顆粒的制備方法簡單、原料較少、操作條件容易實現，適合進行大規模制備和應用。

技術特征：

1.一種銥-鈷氧化物納米顆粒，其特征在于，組成包括四氧化三鈷載體和負載的氧化銥。

2.根據權利要求1所述的銥-鈷氧化物納米顆粒，其特征在于：所述銥-鈷氧化物納米顆粒中的銥、鈷的摩爾比為1:0.1～0.5。

3.根據權利要求1或2所述的銥-鈷氧化物納米顆粒，其特征在于：所述銥-鈷氧化物納米顆粒的平均粒徑為2nm～3nm。

4.一種如權利要求1～3中任意一項所述的銥-鈷氧化物納米顆粒的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟1)所述銥鹽為ircl3、h2ircl6、ircl4中的至少一種；步驟1)所述鈷鹽為cocl2、co(no3)2中的至少一種。

6.根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于：步驟2)所述反應的時間為1h～2h。

7.根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于：步驟3)所述反應的時間為1h～2h。

8.根據權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于：步驟4)所述熱處理包括以下操作：先控制升溫速率為1℃/min～3℃/min從室溫升溫至300℃～600℃，再保溫1h～4h。

9.一種析氧反應催化劑，其特征在于，包含權利要求1～3中任意一項所述的銥-鈷氧化物納米顆粒。

10.一種如權利要求1～3中任意一項所述的銥-鈷氧化物納米顆粒在電解水制氫中的應用。

技術總結
本發明公開了一種銥?鈷氧化物納米顆粒及其制備方法和應用。本發明的銥?鈷氧化物納米顆粒的組成包括四氧化三鈷載體和負載的氧化銥，其制備方法包括以下步驟：1)配制銥鹽?鈷鹽水溶液；2)制備含有銥的銨鹽和鈷的配合物的反應液；3)制備氫氧化銥?鈷的配合物復合物；4)將氫氧化銥?鈷的配合物復合物進行研磨，再置于含氧氣氛中進行熱處理，再進行水洗和干燥。本發明的銥?鈷氧化物納米顆粒的銥含量低、粒徑小且均一，且其制備方法簡單，用作OER反應催化劑具有電化學活性高、電化學穩定性好等優點，適合在電解水制氫領域進行大規模工業化應用。

技術研發人員：潘俊濤,曾建皇
受保護的技術使用者：華南理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/13