本發(fā)明涉及電解水制氫，具體是涉及一種析氧電極銥基雙催化層及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氫氣由于能量密度高、燃燒產(chǎn)物清潔，被認(rèn)為是理想的清潔能源載體，作為主要的綠氫技術(shù)，利用可再生能源電解水制氫在世界范圍引起了廣泛的關(guān)注。開發(fā)高活性氫氣析出反應(yīng)(her)和氧氣析出(oer)催化劑，以克服電解水反應(yīng)動力學(xué)緩慢的問題是影響電解槽性能的關(guān)鍵因素，尤其是析氧催化劑，因為是四電子反應(yīng)，相比析氫催化劑往往具有更高的過電位。目前，商用的析氧催化劑依然是以貴金屬ir基催化劑為主去構(gòu)建析氧電極催化層，但傳統(tǒng)ir基催化層目前依然面臨利用率低的問題。

2、因此，設(shè)計高性能、高穩(wěn)定性銥基催化層對于降低電解槽成本以及提高電解槽性能至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種析氧電極銥基雙催化層及其制備方法和應(yīng)用。相比單一的銥催化劑(優(yōu)選iro2)或載銥催化劑(優(yōu)選碳載銥ir/c)催化層，本發(fā)明借助ir/c較高的電子傳導(dǎo)性和ir/c催化層的多孔性和連續(xù)性，優(yōu)選的先噴涂碳載銥，后噴涂氧化銥設(shè)計了irc-iro2陽極雙催化層。irc-iro2雙催化層中，作為基底的碳載銥具有高度分散的形態(tài)，良好的電子傳導(dǎo)性和孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)合活性較低但穩(wěn)定性較好的iro2，獲得了與單一irccl類似的活性性能，有利于提高催化層中催化劑的利用率。在1mkoh電解質(zhì)條件下，2.0v時最高可達到2.3acm-2以上的高電流密度，且低濃度電解質(zhì)中依舊保持最佳性能。

2、本發(fā)明的目的之一是提供一種析氧電極銥基雙催化層，包含有載銥催化劑和銥催化劑。

3、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

4、所述載銥催化劑包括碳載銥和/或硅載銥，優(yōu)選為碳載銥；和/或，

5、所述銥催化劑包括金屬銥和/或銥化合物，優(yōu)選為銥氧化物，更優(yōu)選為iro2。

6、所述銥催化劑可以為非晶或多晶、單晶、原子分散或納米結(jié)構(gòu)，可以由市售得到或者采用本領(lǐng)域的任意方法制備得到，所述載銥催化劑也可以由市售得到或者采用本領(lǐng)域的任意方法制備得到。

7、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

8、所述載銥催化劑中銥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50-90％，優(yōu)選為70-90％，剩余組分為本領(lǐng)域載銥催化劑常用的銥載體，如碳納米管、石墨烯、納米二氧化硅等。

9、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

10、所述載銥催化劑負載于載銥催化層且所述銥催化劑負載于銥催化層，或者所述載銥催化劑和銥催化劑共同負載于混合催化層；優(yōu)選地，所述載銥催化劑負載于載銥催化層且所述銥催化劑負載于銥催化層。

11、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

12、所述銥催化層位于載銥催化層的上表面或者所述載銥催化層位于銥催化層的上表面，優(yōu)選地，所述銥催化層位于載銥催化層的上表面。

13、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

14、所述載銥催化劑和銥催化劑的總負載質(zhì)量為0.1-1.5mg/cm2，優(yōu)選為0.6-1.2mg/cm2；和/或，

15、所述銥催化劑與載銥催化劑的負載質(zhì)量比為0.2-5，優(yōu)選為0.5-2，更優(yōu)選為0.5-1。

16、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

17、所述析氧電極銥基雙催化層中還包含有粘結(jié)劑；優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑包括離子聚合物、非離子型粘結(jié)劑中的至少一種；更優(yōu)選地，所述離子聚合物包括磺酸型、羧酸型、膦酸型陰離子型離聚物中的至少一種；和/或，所述非離子型粘結(jié)劑包括ptfe。

18、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

19、所述粘結(jié)劑的用量為所述析氧電極銥基雙催化層質(zhì)量的5-50wt％，優(yōu)選為5-25wt％。

20、本發(fā)明的目的之二是提供一種本發(fā)明的目的之一的析氧電極銥基雙催化層的制備方法，包括：

21、將包括載銥催化劑、溶劑a和任選的粘結(jié)劑a在內(nèi)的組分混合得到載銥催化劑油墨，將包括銥催化劑、溶劑b和任選的粘結(jié)劑b在內(nèi)的組分混合得到銥催化劑油墨；然后將載銥催化劑油墨噴涂于載體上后再噴涂銥催化劑油墨或者將銥催化劑油墨噴涂于載體上后再噴涂載銥催化劑油墨，即得所述的析氧電極銥基雙催化層；或者，

22、將包括載銥催化劑、銥催化劑、溶劑c和任選的粘結(jié)劑c在內(nèi)的組分混合得到混合催化劑油墨，然后將混合催化劑油墨噴涂于載體上即得所述的析氧電極銥基雙催化層。

23、需要說明的是，催化劑油墨噴涂于載體后，若催化劑油墨中的溶劑能夠快速揮發(fā)，則不需要經(jīng)過烘干步驟，若不能快速揮發(fā)，則需要經(jīng)過烘干步驟，所述烘干可采用本領(lǐng)域中的任何已知方法進行。

24、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

25、所述粘結(jié)劑a、粘結(jié)劑b、粘結(jié)劑c相同或者不相同，優(yōu)選將粘結(jié)劑a、粘結(jié)劑b或粘結(jié)劑c先溶于溶劑d中后再使用；

26、所述粘結(jié)劑a在溶劑d中的濃度為0.2-0.6g/ml；和/或，

27、所述粘結(jié)劑b在溶劑d中的濃度為0.2-0.6g/ml；和/或，

28、所述粘結(jié)劑c在溶劑d中的濃度為0.2-0.6g/ml。

29、所述溶劑d為常規(guī)溶劑，優(yōu)選為乙醇。

30、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

31、所述溶劑a、溶劑b、溶劑c相同或者不相同，分別獨立地為乙醇、丙醇、異丙醇、丙酮、四氫呋喃中的至少一種；和/或，

32、所述載銥催化劑在溶劑a中的濃度為6-12mg/ml，優(yōu)選為10mg/ml；和/或，

33、所述銥催化劑在溶劑b中的濃度為6-12mg/ml，優(yōu)選為10mg/ml；和/或，

34、所述銥催化劑和銥催化劑在溶劑c中的總濃度為6-12mg/ml，優(yōu)選為10mg/ml。

35、本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，

36、所述載體包括離子聚合物膜、碳紙、碳布、泡沫鎳、鎳氈中的至少一種。

37、本發(fā)明的目的之三是提供一種本發(fā)明的目的之一的析氧電極銥基雙催化層或者本發(fā)明的目的之二的制備方法所得的析氧電極銥基雙催化層在電解水制氫領(lǐng)域的應(yīng)用。

38、本發(fā)明的有益效果：

39、iro2催化劑是目前最常用的電解水陽極析氧催化劑，它具有較好的穩(wěn)定性但析氧活性還有待提高。與iro2催化層相比，ir/c催化層具有較高的電子傳導(dǎo)性以及ir/c催化層的多孔性和連續(xù)性，但高電流密度下容易發(fā)生碳腐蝕。對此，本發(fā)明選用典型的iro2和碳載銥(ir/c)為催化劑設(shè)計了陽極雙催化層。本發(fā)明提出的析氧電極銥基雙催化層可以有效地結(jié)合iro2和碳載銥(ir/c)各自的優(yōu)點，提高了單一iro2催化層中貴金屬ir的利用效率，同時保證催化層在極端運行工況下能夠維持較佳的性能。

40、本發(fā)明采用不同銥基催化劑制備的復(fù)合催化層結(jié)構(gòu)中，分層結(jié)構(gòu)優(yōu)于直接混合催化層，其中先噴涂載銥催化劑(優(yōu)選碳載銥)后噴涂銥催化劑(優(yōu)選氧化銥)優(yōu)于其他分層催化層。irc-iro2(先噴涂碳載銥，后噴涂氧化銥)雙催化層中，作為基底的碳載銥具有高度分散的形態(tài)，良好的電子傳導(dǎo)性和孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)合活性較低但穩(wěn)定性較好的iro2，獲得了與單一irccl類似甚至更高的析氧活性，有利于提高催化層中催化劑的利用率。