【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电催化材料，具体的说是一种pan-ir/cnts催化材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、氢气被认为是替代化石燃料的一种潜在的能源，解决了能源需求和环境问题。在众多制氢技术中，质子交换膜(pem)电解槽电解水因转换效率高、产量大，氢纯度高，同时副产物较少，受到更多的关注。铱基材料被认为是pem水电解槽中析氧反应(oer)的首选电催化剂，然而铱的高成本和相对较低的oer活性不足以满足工业要求，极大限制了未来铱基催化剂的大规模应用。在过去的几十年中，人们对于开发低成本、高活性的新型阳极催化剂的研究络绎不绝，例如，将尺寸较小的铱或铱的氧化物纳米颗粒分散在高表面积的载体上，来提高铱的利用率，进而减少铱的用量来降低成本。这种措施确实可以增加暴露在颗粒外面铱原子的比例，改善铱基催化剂活性，但是小尺寸的纳米颗粒在催化过程中更容易团聚长大，以及从载体上脱落，导致催化剂催化活性迅速降低。总的来说，如何去设计同时具备高活性、低成本且稳定性强的铱基催化剂，仍然是困扰其大规模用于阳极析氧反应(oer)的瓶颈。
2、阳极析氧反应(oer)过电位高、ph低、氧浓度高，催化剂失活主要有以下两方面原因：一种是奥斯瓦尔德熟化，当合成的铱纳米颗粒大小、形状以及分布不均匀时，对应的表面能不同，进而导致他们在溶剂中的溶解度不同，在长时间的oer催化过程中，为了促进系统达到热力学平衡，小尺寸的纳米颗粒会逐渐溶解，这些溶质会扩散到较大颗粒的表面沉积，使得大颗粒逐渐长大。奥斯瓦尔德熟化会导致催化剂活性位点大幅度减少，加速催化剂失活。第二种是当合成
3、为了最大限度避免催化剂失活问题，首先合成的催化剂应具有均匀的尺寸和形状，消除不同颗粒之间的化学势差异，从而最小化奥斯瓦尔德化。其次，催化剂和载体之间应具有更强的金属-载体支撑作用(msi)，来缓解纳米颗粒之间的结合与脱落问题。目前，通过一步法直接在碳载体上原位生长铱纳米颗粒可以有效控制铱纳米晶粒的尺寸及分布，但因为碳的惰性，合成的铱纳米颗粒也很难与碳载体建立起来金属-载体强相互作用(smsi)。最新研究表明，通过在催化剂表面建立聚合物和金属氧化物涂层，例如聚吡咯、聚苯胺可以保护催化剂免收电化学氧化和腐蚀，提高催化剂稳定性。但是这些聚合物难免会覆盖纳米晶粒的部分活性位点。
4、因此，如何设计同时具备高活性、低成本且稳定性强的铱基催化剂，仍然是困扰其大规模用于阳极析氧反应(oer)的瓶颈。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中的不足，本专利技术提供一种pan-ir/cnts催化材料及其制备方法和应用，通过本专利技术的方法制备的催化材料在酸性条件下不仅具有优异的电催化活性，同时表现出极好的催化耐久性，是一种极具潜力的酸性oer电催化剂。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：
3、一种pan-ir/cnts催化材料的制备方法，主要包括如下步骤：
4、(1)、制备硒球
5、将亚硒酸与聚乙烯吡咯烷酮按照0.645:1的质量比溶于高纯水中，超声搅拌至完全溶解，然后加入水合肼，磁搅拌使其在室温下充分反应，所得产物经离心、洗涤，得到纳米级的硒球；(2)、制备碳载硒薄膜
6、将步骤(1)制备的硒球加水制成第一溶液，取碳纳米管加水制成第二溶液，将第一溶液加入第二溶液中，超声至充分混合，所得产物离心、干燥、退火后得到碳载硒薄膜；
7、(3)、在碳纳米管上原位生长铱纳米颗粒
8、将步骤(2)中得到的碳载硒薄膜加水制成第三溶液，加入氯铱酸，超声分散均匀后进行水热反应，水热后产物进行离心、洗涤、干燥，得到ir/cnts中间体，ir/cnts中间体的碳纳米管上原位生长有铱纳米颗粒；
9、(4)、制备pan-ir/cnts催化材料
10、将步骤(3)得到的ir/cnts中间体和聚丙烯腈按照1:1.75的质量比溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，超声搅拌至完全分散，所得产物经离心、干燥、退火后即得到pan-ir/cnts催化材料。
11、进一步地，步骤(2)中，第一溶液的浓度为1～2mg ml-1，第二溶液的浓度为1mg ml-1，第一溶液和第二溶液的体积比为1:3。
12、进一步地，步骤(2)中，干燥条件为真空干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为8～12h。
13、进一步地，步骤(2)中，退火条件为：惰性气氛下，于180～250℃加热1-3h。
14、进一步地，步骤(3)中，第三溶液的浓度为0.5～1mg ml-1，第三溶液与氯铱酸体积比为200:1，水热反应温度为120～150℃，水热时间为2～4h。
15、进一步地，步骤(3)或步骤(4)中，干燥条件为真空干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为10～15h。
16、进一步地，步骤(4)中，退火条件为惰性保护，300～400℃下保温1-3h。
17、一方面，本专利技术公开了一种采用上述方法制备的pan-ir/cnts催化材料。
18、进一步地，以碳纳米管为载体，先制备具有还原性的碳载硒薄膜，之后通过iriv前驱体和硒沉积膜之间的置换反应在碳纳米管上原位生长椭球状的亚纳米级铱颗粒，然后用pan锚定铱颗粒，以进一步加强金属-载体相互作用，得到pan-ir/cnts催化材料。
19、再一方面，本专利技术公开了上述的pan-ir/cnts催化材料作为阳极析氧反应催化剂的应用。
20、有益效果：
21、(1)、本专利技术中的催化材料在制备时，以碳纳米管为基体，先制备具有还原性的碳载硒薄膜，然后通过irⅳ前驱体和硒沉积膜之间的置换反应在碳纳米管上原位生长亚纳米级铱颗粒，这充分保证了铱颗粒在碳纳米管载体上的高分散性和均匀尺寸分布，然后用聚丙烯腈(pan)锚定铱纳米颗粒大大提高了催化剂的电催化性能。这是因为聚丙烯腈是一种很好的具有潜在活性的表面涂层材料，通过控制热处理温度可以很好的调整其结构。随着温度的升高，线性聚丙烯腈可以逐渐展开为网状结构，从而进一步加强金属-载体相互作用(msi)，抑制了铱纳米颗粒的迁移与聚集，使催化剂具有优异的稳定性。此外，吡啶氮与ir之间的强电子相互作用，加速ir对*ooh中间体的吸附，促进oer反应快速进行，提高催化剂电催化活性。
22、(2)、本专利技术提供的pan-ir/cnts催化材料经实验证实，在酸性条件下具有如下优异的oer电催化活性和稳定性，可作为酸性oer电催化剂而应用：
23、(i)过电位极低
24、酸性条件下极化曲线(lsv)测试表明，商用ir/c在10ma cm-2的电流密度下，过电位为333mv，而pan-ir/cnts-400仅需要209mv就可以达到10ma cm本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种PAN-Ir/CNTs催化材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种PAN-Ir/CNTs催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，第一溶液的浓度为1~2 mg mL-1，第二溶液的浓度为1 mg mL-1，第一溶液和第二溶液的体积比为1:3。
3.根据权利要求1所述的一种PAN-Ir/CNTs催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，干燥条件为真空干燥，干燥温度为60~80 ℃，干燥时间为8~12 h。
4.根据权利要求1所述的一种PAN-Ir/CNTs催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，退火条件为：惰性气氛下，于180~250 ℃加热1-3 h。
5.根据权利要求1所述的一种PAN-Ir/CNTs催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，第三溶液的浓度为0.5~1 mg mL-1，第三溶液与氯铱酸体积比为200:1，水热反应温度为120~150 ℃，水热时间为2~4 h。
6.根据权利要求1所述的一种PAN-Ir/CNTs催化材料的制备方法，其特征在于，
7.根据权利要求1所述的一种PAN-Ir/CNTs催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，退火条件为惰性保护，300~400 ℃下保温1-3 h。
8.一种PAN-Ir/CNTs催化材料，其特征在于，其是采用权利要求1-7任一项所述的方法制备的。
9.根据权利要求1所述的一种PAN-Ir/CNTs催化材料，其特征在于，以碳纳米管为载体，先制备具有还原性的碳载硒薄膜，之后通过IrIV前驱体和硒沉积膜之间的置换反应在碳纳米管上原位生长椭球状的亚纳米级铱颗粒，然后用PAN锚定铱颗粒，以进一步加强金属-载体相互作用，得到PAN-Ir/CNTs催化材料。
10.权利要求8-9任一项所述的PAN-Ir/CNTs催化材料作为阳极析氧反应催化剂的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种pan-ir/cnts催化材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种pan-ir/cnts催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，第一溶液的浓度为1~2 mg ml-1，第二溶液的浓度为1 mg ml-1，第一溶液和第二溶液的体积比为1:3。
3.根据权利要求1所述的一种pan-ir/cnts催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，干燥条件为真空干燥，干燥温度为60~80 ℃，干燥时间为8~12 h。
4.根据权利要求1所述的一种pan-ir/cnts催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，退火条件为：惰性气氛下，于180~250 ℃加热1-3 h。
5.根据权利要求1所述的一种pan-ir/cnts催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，第三溶液的浓度为0.5~1 mg ml-1，第三溶液与氯铱酸体积比为200:1，水热反应温度为120~150 ℃，水热时间为2~4 h...
【专利技术属性】
技术研发人员：程浩艳，胡浩，宋克兴，江中寒，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：
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