一种离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂及其制备方法技术

本申请涉及电化学的技术领域，具体公开了一种离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂及其制备方法。本申请公开的离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂，包括以下重量份的组分：60

【技术实现步骤摘要】
一种离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂及其制备方法


[0001]本申请涉及电化学的
，具体涉及一种离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着人们对于对可再生能源的需求不断增长，这刺激了可持续清洁能源技术的发展。其中，利用电化学反应将化学能转化为电能的新能源技术受到广泛关注。
[0003]从材料、性能、效率和成本来看，基于阴离子交换膜(AEM)的电解水系统是制氢过程中非常有吸引力的技术。在AEM的电解水系统中，AEM催化剂通常能大大降低电解水的活化能，从而降低电解水的过电势。因此，催化剂的优劣决定了电解水所需要的总电压以及电能转换为氢能的转化效率。
[0004]然而，AEM催化剂在实际应用仍然存在很多挑战，如电解水系统中的阴极反应涉及到氧气的还原反应(ORR)和析出反应(OER)，由于这两个反应的动力学过程较为缓慢，从而导致充放电过程中存在较大的过电位，进而降低了电解水系统的能量效率。
[0005]另外，AEM催化剂经过长时间使用后，会发生一系列的物理和化学变化，如晶格形变、孔结构和比表面积变化、活性组分流失、活性位被覆盖等，使得催化剂容易失活，导致了AEM催化剂的循环稳定性较差。

技术实现思路

[0006]为了有效降低电解水系统的过电位，同时提高催化剂的循环稳定性，本申请提供一种离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂及其制备方法第一方面，本申请提供一种离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂，包括以下重量份的组分：60
‑
90份AEM催化剂；8
‑
40份离子液体；所述离子液体由阳离子和阴离子组成；所述阳离子选自如式(1)所示的季胺盐类、如式(2)所示的磷酸盐类、如式(3)所示的咪唑类、如式(4)所示的吡咯类、如式(5)所示的哌啶类中的一种或多种；所述阴离子选自如式(6)所示的四氟硼酸根、如式(7)所示的六氟磷酸根、如式(8)所示的高氯酸根、如式(9)所示的二草酸硼酸根、如式(10)所示的三氟甲基磺酸根、如式(11)所示的双三氟甲基磺酸根、如式(12)所示的双(氟磺酰)亚胺根中的一种或者多种；其中，式(1)中的R1‑
R4、式(2)中的R1‑
R4、式(3)中的R4和R
’
、式(5)中的R分别独立地选自甲基、乙基、丙基等烷类取代基。
[0007]本申请利用阴阳离子结构的可设计性，通过筛选阴阳离子分别为上述种类，并调整离子液体的添加量，然后对AEM催化剂进行改性，获得了一种离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂。
[0008]本申请通过离子液体的引入可以增加AEM催化剂表面的活性点位数，从而提高AEM催化剂的催化活性；离子液体的高导电性可以增强催化剂表面OH－的传递和转移，降低欧姆极化，以达到降低催化剂过电位的效果。离子液体的亲疏水性结构设计，可以加速H2O与催化剂的接触，降低接触时间，增强催化剂稳定性，抑制催化剂溶解，提高循环寿命。
[0009]优选地，所述离子液体的添加量为8
‑
20份。
[0010]在一个具体的实施方案中，所述离子液体的添加量可以为8份、10份、20份、40份。
[0011]在一些具体的实施方案中，所述离子液体的添加量还可以为8
‑
10份、8
‑
40份、10
‑
20份、10
‑
40份、20
‑
40份。
[0012]经过试验分析可知，本申请将离子液体的添加量控制为上述范围内，能够有效降低改性催化剂的过电位，同时增加改性催化剂的循环稳定性。
[0013]优选地，所述AEM催化剂选自Pt、Pt/C、RuO2、IrO2、Ni基合金催化剂、过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属磷化物中的一种或者多种。
[0014]进一步地，所述Ni基合金催化剂选自Ni
‑
Mo、Ni
‑
Co、Ni
‑
W、Ni
‑
Fe、Ni
‑
Cr中的一种或多种。
[0015]进一步地，所述AEM催化剂选自Ni基催化剂的层状氢氧化物(LDH)、Ni基催化剂的金属有机化合物(MOF)中的一种或两种。
[0016]在一个具体的实施方案中，所述AEM催化剂可以为NiFe
‑
LDH、NiFe
‑
MOF中的一种或两种。
[0017]优选地，所述离子液体为咪唑类离子液体和哌啶类离子液体。
[0018]进一步地，所述离子液体为摩尔比为(5
‑
8)：(2
‑
5)的咪唑类离子液体和哌啶类离
子液体。
[0019]经过实验分析可知，当选择上述两种离子液体，并将摩尔比控制在上述范围内，能够进一步降低离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂的过电位，提高循环稳定性。
[0020]在一个具体的实施方案中，所述咪唑类离子液体可以为1乙基3甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐。
[0021]在一个具体的实施方案中，所述哌啶类离子液体可以为1
‑
甲基
‑1‑
丙基哌啶双三氟甲基磺酰亚胺盐。
[0022]第二方面，本申请提供了上述离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：分别将所述AEM催化剂与所述离子液体进行干燥预处理；将所述AEM催化剂与所述离子液体进行混合反应，得到离子液体
‑
AEM催化剂混合物；将所述离子液体
‑
AEM催化剂混合物依次经过真空脱泡、真空干燥，即得所述离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂。
[0023]本申请提供的离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂的制备方法简便，所需设备简单，适宜大规模生产应用。
[0024]优选地，所述干燥预处理的条件为：温度110
‑
130℃、时间6
‑
12h。
[0025]优选地，所述混合反应采取的方法选自超声处理、球磨处理、砂磨处理中的一种或多种。
[0026]进一步地，所述超声处理的具体操作为：将所述AEM催化剂与所述离子液体混合均匀，并置于500
‑
700W的功率下，冰浴超声分散30
‑
120min。
[0027]本申请选择在冰浴条件下将离子液体对AEM催化剂进行改性，能够有效防止催化剂的团聚，从而有利于混合反应的效率，从而提高改性后的催化剂的性能。
[0028]进一步地，所述球磨处理的具体操作为：将所述AEM催化剂、所述离子液体与反应溶剂混合，加入不锈钢磨球进行球磨18
‑
24h；其中，所述反应溶剂包括体积比为5：(0.8
‑
1.2)的水和异丙醇；料液比为5：(5
‑
7)；料球重量比为5：(180
‑
220)。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂，其特征在于，包括以下重量份的组分：60
‑
90份AEM催化剂；8
‑
40份离子液体；所述离子液体由阳离子和阴离子组成；所述阳离子选自季胺盐类、磷酸盐类、咪唑类、吡咯类、哌啶类中的一种或多种；所述阴离子选自四氟硼酸根、六氟磷酸根、高氯酸根、二草酸硼酸根、三氟甲基磺酸根、双三氟甲基磺酸根、双（氟磺酰）亚胺根中的一种或者多种。2.根据权利要求1所述的离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂，其特征在于，所述离子液体的添加量为8
‑
20份。3.根据权利要求1所述的离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂，所述AEM催化剂选自Pt、Pt/C、RuO2、IrO2、Ni基合金催化剂、过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属磷化物中的一种或者多种。4.根据权利要求3所述的离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂，其特征在于，所述Ni基合金催化剂选自Ni
‒
Mo、Ni
‒
Co、Ni
‒
W、Ni
‒
Fe、Ni
‒
Cr中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂，其特征在于，所述离子液体为咪唑类离子液体和哌啶类离子液体。6.根据权利要求5所述的离子液体改性碱性阴离子膜电解水催化剂，其特征在于，所述离子液体为摩尔比为（5
‑
8）：（2
...

【专利技术属性】
技术研发人员：安永昕，杨裔晟，张宝春，曹炬，李思淼，
申请(专利权)人：深圳稳石氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：