CN109107570B - 一种OER高催化性能SrIrO3催化剂的制备方法 - Google Patents

一种OER高催化性能SrIrO3催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种OER高催化性能SrIrO3催化剂的制备方法。该制备方法包括，将SrO,IrO2按配比混合，通过行星式球磨机进行机械活化,制备具有大量晶格缺陷的混合物，通过醇洗等步骤进行产物分离提纯；随后，通过固热反应合成SrIrO3催化剂。通过控制SrO,IrO2配比，机械活化时间，球料比，固热反应温度、时长等因素，可以得到不同成分的SrIrO3及其与SrO、IrO2的混合物。本发明所述的SrIrO3催化剂可显著提升OER催化性能，并能在酸性环境下稳定使用，成本相对低廉，应用于电沉积过程中，可以显著降低能耗。

Description

一种OER高催化性能SrIrO3催化剂的制备方法
技术领域：
本发明属于电化学工业电极材料领域，具体涉及一种OER高催化性能SrIrO3催化剂的制备方法。
背景技术：
在铜、锌等金属的湿法冶金生产过程中，电解沉积步骤的电能消耗较大，其主要原因在于电解沉积过程中，阳极的析氧过电位较高。目前铜锌电解沉积过程中常用铅基阳极，其析氧过电位较高，且存在易污染阴极产物和电沉积过程中易发生蠕变等弊端。在1963年提出的尺寸稳定型阳极(DSA)则具备尺寸稳定，析氧过电位低，无产物污染等优势。DSA的析氧过电位主要取决于其表面涂敷的氧化物催化涂层的催化活性。铜、锌等金属的电解沉积通常在酸性溶液中进行，因此部分过渡族金属及其氧化物虽然具有较好的析氧电催化活性，但是在酸性高电位条件下稳定性差。DSA目前常用的活性涂层是采用IrO2+Ta2O5，由于Ir的大量使用，使得涂层的成本高，在保证析氧催化能力与稳定性的条件下，采用价格较为低廉的金属部分取代Ir，对于DSA的推广使用具有重要意义。2016年Seitz等人在《Science》报道了新型SrIrO3催化剂，该催化剂是目前能够在酸性条件下使用的具有最高析氧电催化活性的催化剂之一，采用Sr部分取代Ir，降低了活性涂层的生产成本。目前SrIrO3的制备通常采用激光沉积法(Pulsed Laser Deposition)等，其成本较高并且难以大规模应用。
发明内容：
本发明目的在于解决上述技术问题，提供一种OER高催化性能SrIrO3催化剂的制备方法。该制备方法过程简单，易于实施，可以精确控制反应物配比用量，还可以调控SrIrO3催化剂成分。通过Sr元素对Ir元素的部分取代实现生产成本的有效降低。本发明制备的SrIrO3催化剂的OER活性优于传统IrO2涂层且在酸性环境中可稳定工作，具备产业上的应用价值。
一种OER高催化性能SrIrO3催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按摩尔配比，SrO:IrO2＝1:(0.2～5)，将原料混合均匀，得到混合物料；
(2)按质量配比，磨球总质量：混合物料质量＝(100～10):1，将混合物料和磨球装入球磨机中机械活化；
(3)利用溶剂提取机械活化后的混合物料，烘干；
(4)将步骤(3)得到的混合物料进行固热反应，得到SrIrO3催化剂。
所述的步骤(2)中，所述的磨球机的转速为200～500r/min，机械活化时间为3～9h。
所述的步骤(2)中，所述的混合物料总体积不超过球磨罐容积的1/3。
所述的步骤(3)中，所述的溶剂为无水乙醇，产物洗涤次数3-6次，烘干温度为60～100℃，烘干时间为6-18h。
所述的步骤(4)中，所述的固热反应温度为500～950℃，反应时间为20～32h。
所述的步骤(4)中，所述的SrIrO3催化剂在1mol/L H2SO4溶液中测试极化曲线可得Tafel 斜率范围在60mV/dec-90mV/dec；电位为1.55V时，电流密度可达10-5A/cm2-2×10-4A/cm2。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用机械活化方法，使原料产生较多晶格缺陷，促进固热反应的进行，可以提高产物在OER催化过程中的OER催化活性；
(2)本发明提供的制备方法与传统的热沉积法相比，操作简便，容易实施，精确控制反应物配比用量，调控SrIrO3催化剂成分；
(3)本发明通过Sr元素对Ir元素的部分取代，降低了贵金属的用量，有效降低成本；
(4)本发明制备的SrIrO3催化剂与传统IrO2催化剂相比，具有高效的OER催化性能，并且在酸性条件下可稳定使用，有效降低电沉积过程能耗，节约能源。
附图说明：
图1本发明制备的SrIrO3催化剂与传统IrO2催化剂在1mol/L H2SO4电解质溶液中的极化曲线对比；
图2本发明制备的SrIrO3催化剂TEM图像；
图3本发明制备的SrIrO3催化剂XRD图谱。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
(1)精确称量2.5g SrO与1.0g IrO2，将其混合均匀放置于不锈钢球磨罐中，取直径8mm 磨球40个放入球磨罐中；
(2)设置机械活化时间3h，球磨机转速200r/min；
(3)使用无水乙醇对混合物进行3次清洗；
(4)将粉末在60℃条件下烘干18h；
(5)将粉末在500℃条件下进行20h固热反应，随后得到产物并收集。
制得的产物在1.55V下电流密度达1×10-5A/cm2。
实施例2：
(1)精确称量2.5g SrO与1.0g IrO2，将其混合均匀放置于不锈钢球磨罐中，取直径8mm 磨球40个放入球磨罐中；
(2)设置机械活化时间9h，球磨机转速500r/min；
(3)使用无水乙醇对混合物进行6次清洗；
(4)将粉末于90℃环境下烘干18h；
(5)对粉末950℃条件下进行32h固热反应，随后得到产物并收集。
制得的产物在1.55V下电流密度达6.5×10-5A/cm2。
实施例3：
(1)精确称量0.5g SrO与5.0g IrO2，将其混合均匀放置于不锈钢球磨罐中，取直径8mm 磨球40个放入球磨罐中；
(2)设置机械活化时间9h，球磨机转速200r/min；
(3)使用无水乙醇对混合物进行3次清洗；
(4)将粉末于90℃环境下烘干18h；
(5)对粉末550℃条件下进行32h固热反应，随后得到产物并收集。
制得的产物在1.55V下电流密度达3.0×10-5A/cm2。
实施例4：
(1)精确称量0.5g SrO与5.0g IrO2，将其混合均匀放置于不锈钢球磨罐中，取直径8mm 磨球40个放入球磨罐中；
(2)设置机械活化时间9h，球磨机转500r/min；
(3)使用无水乙醇对混合物进行6次清洗；
(4)将粉末于90℃环境下烘干18h；
(5)对粉末950℃条件下进行32h固热反应，随后得到产物并收集。
制得的产物在1.55V下电流密度达2.5×10-5A/cm2。
对上述方法制备的SrIrO3催化剂进行了性能和结构研究，图1为SrIrO3催化剂与传统IrO2催化剂在1mol/L H2SO4电解质溶液中的极化曲线对比；图2为SrIrO3催化剂的TEM图像；图3为SrIrO3催化剂的XRD图谱。
实施例5：
(1)精确称量1.0g SrO与1.0g IrO2，将其混合均匀放置于不锈钢球磨罐中，取直径8mm 磨球40个放入球磨罐中；
(2)设置机械活化时间3h，球磨机转速500r/min；
(3)使用无水乙醇对混合物进行6次清洗；
(4)将粉末于90℃环境下烘干18h；
(5)对粉末950℃条件下进行20h固热反应，随后得到产物并收集。
制得的产物在1.55V下电流密度达8.0×10-5A/cm2。

Claims (3)

1.一种OER高催化性能SrIrO3催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按摩尔配比，SrO:IrO2＝1:(0.2～5)，将原料混合均匀，得到混合物料；
(2)按质量配比，磨球总质量：混合物料质量＝(100～10):1，将混合物料和磨球装入球磨机中机械活化，球磨机的转速为200～500r/min，机械活化时间为3～9h；
(3)利用溶剂提取机械活化后的混合物料，烘干；
(4)将步骤(3)得到的混合物料进行固热反应，固热反应温度为500～550℃，反应时间为20～32h，得到SrIrO3催化剂；
所述的SrIrO3催化剂在1mol/L H2SO4溶液中测试极化曲线可得Tafel斜率范围在60mV/dec～90mV/dec；电位为1.55V时，电流密度可达10-5A/cm2～2×10-4A/cm2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，所述的混合物料总体积不超过球磨罐容积的1/3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述的溶剂为无水乙醇，产物洗涤次数3～6次，烘干温度为60～100℃，烘干时间为6～18h。
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