碳纸载锰化钌催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种碳纸载锰化钌催化剂及其制备方法和应用，制备方法包括：将前驱体锰盐、聚乙烯吡咯烷酮和三氯化钌溶液混合，得到前驱体混合液；将清洗后的碳纸在前驱体混合液中浸渍，取出，烘干；常温下，烘干的碳纸在氢气下通气后，加热，烧结，降温；三氯化钌中钌元素和锰盐中锰元素的离子浓度配比为1:1，锰盐选自三氯化锰、Mn(NO3)3或Mn2(SO4)3；本发明专利技术的碳纸载锰化钌催化剂作为电极在酸性电解水氧析出反应中应用；本发明专利技术通过在碳纸原位生长锰化钌合金催化剂，大大增强了钌的成键键强，从而明显地增强了稳定性，降低溶解速度，并在表面氧化形成了键强更强的钌氧化物，进一步大大提高了钌基催化剂在酸性电解水中的稳定性。高了钌基催化剂在酸性电解水中的稳定性。高了钌基催化剂在酸性电解水中的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
碳纸载锰化钌催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电化学
，具体涉及一种碳纸载锰化钌催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]酸性电解水氧析出主要依赖于贵金属钌(Ru)与铱(Ir)基催化剂，其中Ir贵金属储量极低，相比之下，Ru的催化性能更高且价格更低，但是Ru基催化剂的稳定性相对较差。目前通过对Ru进行掺杂合成合金或氧化物，从而提高其性能及稳定性。
[0003]质子交换膜电解水具有结构紧凑、低阻抗、电流密度高等特点，而质子交换膜的强酸性环境以及电解水的高电压，对催化剂有很强的腐蚀作用，使得大多数贱金属会发生溶解析出。目前能在酸性中使用的催化剂大多为贵金属Ru及Ir基催化剂，而Ir的极度稀有使其广泛使用受限。Ru及电化学析氧(OER)催化剂催化性能优异，但稳定性较弱，文献中酸性环境电解水催化剂的定电压测试(10mA/cm2对应电压值)或定电流稳定性(10mA/cm2)测试时长大部分不超过50h。Ru基催化剂的低稳定性限制了其在酸性氧析出反应中的进一步普及利用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种碳纸载锰化钌催化剂及其制备方法和应用。本专利技术通过蘸取法(dip
‑
coating)方法原位生长催化剂，即将碳纸(carbon fiber paper,CFP)表面蘸取前驱体混合液，之后在氢气气氛中进行还原烧结，得到原位生长的碳纸载锰化钌(RuMn)合金催化剂。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的解决方案是：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种碳纸载RuMn催化剂的制备方法，其包括如下步骤：
[0007](1)、将前驱体锰盐、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和三氯化钌(RuCl3)溶液混合，得到前驱体混合液；
[0008](2)、将清洗后的碳纸在前驱体混合液中浸渍，取出后进行烘干；
[0009](3)、常温下，步骤(2)烘干的碳纸在氢气气氛下通气后，加热，然后烧结，降温，得到碳纸载RuMn催化剂；
[0010]步骤(1)中，RuCl3中Ru元素和锰盐中Mn元素的离子浓度配比为1:1。
[0011]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(1)中，锰盐选自MnCl3、Mn(NO3)3和Mn2(SO4)3中的一种以上。
[0012]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(2)中，浸渍的时间为10
‑
20s。
[0013]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(2)中，烘干的温度为40
‑
70℃，烘干的时间为10
‑
20min。
[0014]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(3)中，常温通气时间为1
‑
2h。
[0015]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(3)中，加热时升温的速率为4
‑
6℃/min，加热
的温度为800
‑
1000℃。
[0016]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(3)中，烧结的时间为7
‑
8h。
[0017]第二方面，本专利技术提供了一种碳纸载RuMn催化剂，其由上述的制备方法得到。
[0018]第三方面，本专利技术提供了一种上述的碳纸载RuMn催化剂作为电极在酸性电解水氧析出反应中的应用。即本专利技术采用原位生长的模式，直接制成电极，用于酸性电解水氧析出反应。
[0019]由于采用上述方案，本专利技术的有益效果是：
[0020]本专利技术通过在碳纸原位生长RuMn合金催化剂，大大增强了Ru的成键键强，从而明显地增强了其稳定性，降低溶解速度，并在表面氧化形成了键强更强的Ru氧化物，进一步大大提高了Ru基催化剂在酸性电解水中的稳定性，且可以在定电流(10mA/cm2)环境中稳定720h，具有超耐久性能。
[0021]另外，该原位生长催化剂是在Mn的掺杂作用下，将Ru基催化剂稳定，通过使用同样的方法合成RuZn、RuCo、RuCr以及未掺杂的Ru合金催化剂进行对比，电化学测试中可以明显看出，通过CV循环测试催化剂催化性能过程中，碳纸载RuMn催化剂表现出优异的稳定性能。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的(a)Ru、(b)RuCo、(c)RuCr、(d)RuZn和(e)RuMn的CV循环扫描示意图。
[0023]图2为本专利技术的碳纸载RuMn催化剂定电流测试(10mA/cm2)示意图。
[0024]图3为本专利技术的(a)Ru、(b)RuCo、(c)RuCr、(d)RuZn和(e)RuMn颗粒在CFP上生长的SEM图。
[0025]图4为本专利技术的碳纸载RuMn催化剂电化学测试前(a)、(b)和测试后(c)、(d)的颗粒TEM图像以及化学元素分布情况图。
具体实施方式
[0026]本专利技术提供了一种碳纸载RuMn催化剂及其制备方法和应用。
[0027]<碳纸载RuMn催化剂的制备方法>
[0028]本专利技术的碳纸载RuMn催化剂的制备方法包括如下步骤：
[0029](1)、配制RuCl3溶液；
[0030](2)、将前驱体锰盐、PVP、RuCl3溶液与超纯水混合，搅拌过夜，得到前驱体混合液；
[0031](3)、将碳纸清洗后裁剪为1cm
×
2cm大小，在前驱体混合液中浸渍，将蘸取溶液的碳纸在烘箱中真空烘干；
[0032](4)、将烘干的碳纸放入管式炉中，通入氢气含量5％的氢氩混合器，通气后再进行加热，然后烧结，之后自然降温，得到碳纸载RuMn催化剂。
[0033]其中，在步骤(1)中，将RuCl3先制成固定浓度溶液之后再与其他溶液混合。
[0034]步骤(2)中，锰盐选自MnCl3、Mn(NO3)3和Mn2(SO4)3中的一种以上，MnCl3、Mn(NO3)3和Mn2(SO4)3购于阿拉丁公司。
[0035]在步骤(2)中，RuCl3中Ru元素和锰盐中Mn元素的离子浓度配比为1:1，此比值能达到此稳定效果，其他比例下合成的催化剂在表征过程中得到键能相对较弱，其电化学稳定
性较差。
[0036]在步骤(2)中，前驱体溶液中添加PVP调节溶液粘稠度，同时提高催化剂的分散均匀性。
[0037]在步骤(3)中，浸渍的时间可以为10
‑
20s，优选为10s。
[0038]在步骤(3)中，烘干的温度可以为40
‑
70℃，优选为50℃；烘干的时间可以为10
‑
20min，优选为20min。
[0039]在步骤(4)中，常温通气时间可以为1h
‑
2h，优选为2h。
[0040]在步骤(4)中，加热时升温的速率可以为4
‑
6℃/min，优选为5℃/min；加热的温度可以800
‑
1000℃(此温度有利于形成合金)，优选为800℃。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纸载锰化钌催化剂的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：(1)、将前驱体锰盐、聚乙烯吡咯烷酮和三氯化钌溶液混合，得到前驱体混合液；(2)、将清洗后的碳纸在所述前驱体混合液中浸渍，取出后进行烘干；(3)、常温下，步骤(2)烘干的碳纸在氢气气氛下通气后，加热，然后烧结，降温，得到碳纸载锰化钌催化剂；步骤(1)中，所述三氯化钌溶液中钌元素和锰盐中锰元素的离子浓度配比为1:1。2.根据权利要求1所述的碳纸载锰化钌催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述锰盐选自三氯化锰、Mn(NO3)3和Mn2(SO4)3中的一种以上。3.根据权利要求1所述的碳纸载锰化钌催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述浸渍的时间为10
‑
20s。4.根据权利要求1所述的碳纸载锰化钌催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述烘干的温度为40

【专利技术属性】
技术研发人员：章俊良，安璐，杨帆，沈水云，沈渊亭，高骞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：