一种三元铱基金属间化合物IrVMn电催化剂及其制备方法

一种三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂及其制备方法
技术领域
1.本发明属于纳米材料电催化技术领域，具体涉及一种三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂及其制备方法。


背景技术：

2.社会经济的高速发展带来的能源危机和生态环境问题，严重威胁着人类未来的可持续发展。因此，开发经济、绿色清洁且高效的新型能源存储和转换技术是实现节能减排，降低碳排放的有效方式。氢能因其高的能量密度和零排放等优势，被誉为是未来我国能源体系的重要组成部分及未来产业重点发展方向，具有重要的战略意义。近年来，基于电化学储能技术为核心的能源转换及存储技术因其高效、清洁无污染、操作简便等优势受到了世界范围学者和产业界的广泛青睐。
3.电解水制氢是目前制备可再生清洁氢气的重要手段，开发高活性、低成本的电催化剂对水裂解技术的实际应用至关重要。析氧反应(oer)的缓慢阳极动力学涉及的多中间体吸附以及多电子同时参与反应严重阻碍了其实际应用。此外，由于在实际析氧反应过程中阳极的电压过高使得催化剂难以稳定，导致离子溶出、表面结构改变等不可逆衰退，导致催化剂失活。迄今为止，铱基金属催化剂及其复合物在oer中表现出最佳的催化性能，然而其受限于全球ir金属资源的极度稀缺性(储量比铂小十倍)和高成本、因此，发展高效的ir基催化剂使其在不降低活性的情况下同时最小化电极上的ir质量负载是推进商业化进程的重要途径。
4.金属间化合物是一类具有高度有序化原子排列的晶体，与传统合金固溶体相比，金属间化合物能够保持更稳定的结构，原子间的配位和电子作用更为强烈，可优化不同反应中间体的吸附，显著提升催化活性与稳定性。近年来，铂基金属间化合物电催化剂已被逐步研究，为燃料电池氧还原反应增强了活性和耐久性。由于金属铱(ir)的高熔点及稳定的金属性质，难以实现对其金属间有序化合成，实验条件苛刻，此外高温煅烧易使得纳米粒子发生团聚，导致活性位点降低。
5.因此，发明一种简单可行的、成本低廉的且能够控制铱基材料的金属间物相的方法是现阶段铱基催化剂电解水领域亟待解决的关键科学问题。


技术实现要素：

6.为解决现有技术存在的上述问题，本发明意在提供一种三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂及其制备方法，该电催化剂具有优异的电解水析氧反应性能。
7.其中一方面，本发明提供一种三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂，该电催化剂包括负载于碳载体表面的三元铱基金属间化合物irvmn纳米颗粒，该纳米颗粒的平均粒径为2～3nm，该纳米颗粒具有ir1m1金属间特征物相或ir3m金属间特征物相，其中，m为v/mn元素
8.优选地，上述纳米颗粒中各元素的摩尔百分比为：41％的铱(ir)、35％的钒(v)以
及24％的锰(mn)。
9.另一方面，本发明继而提供一种用于制备上述三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
10.s1、制备碳载体分散液
11.将一定量的碳载体分散于无水乙醇中，超声搅拌1～2小时，促使碳载体均匀分散在无水乙醇溶液中，以制备碳载体分散液；
12.s2、制备金属盐前驱体
13.将一定量的氯化铱、氯化钒和氯化锰金属盐溶解在无水乙醇中，超声搅拌分散均匀，随后将其滴加至步骤s1中制备的所述碳载体分散液内，再在70～90℃的温度下搅拌加热直至所有无水乙醇被蒸发，得到碳载irvmn氢氧化物粉末，即所述金属盐前驱体；其中，溶解于无水乙醇中的氯化铱、氯化钒的摩尔比为1:1-1.2或1.9-2.1:1，溶解于无水乙醇中的氯化铱、氯化锰的摩尔比为1:3.2-2.8；
14.s3、制备电催化剂
15.将步骤s2中制备的所述碳载irvmn氢氧化物粉末充分研磨，然后置于氢气/氩气混合气氛下升温进行高温热解处理，高温热解处理后即得所述三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂；
16.其中，若所述步骤s1中加入无水乙醇中的所述碳载体的质量为a，所述步骤s2中制备的所述碳载irvmn氢氧化物粉末的质量为b，则有，a/(a+b)＝40～65％。
17.优选地，上述步骤s1中，加入无水乙醇中的所述碳载体为科琴黑碳粉。
18.优选地，上述步骤s3中，将充分研磨所述碳载irvmn氢氧化物粉末置于瓷舟内，后经瓷舟转移至管式炉中于氢气/氩气混合气氛下升温进行高温热解处理。
19.优选地，上述步骤s3中，混合气氛中所述氢气/氩气的比例为1:9。
20.优选地，上述步骤s3中，所述升温进行高温热解处理的具体参数为：升温速率为3℃/min，保温温度为900℃，保温时间为3小时。
21.其中，当溶解在无水乙醇中的铱与钒的摩尔比为1:1-1.2时，所述三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的所述纳米颗粒具有ir1m1金属间特征物相；当溶解在无水乙醇中的铱与钒的摩尔比为1.9-2.1:1时，所述三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的所述纳米颗粒具有ir3m金属间特征物相。
22.再一方面，本发明继而提供一种三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂在电解水析氧反应中的用途，该电催化剂具有优异的电解水析氧反应性能。
23.本发明提供的该种三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂，具有高度有序化的特点，通过调节金属前驱体盐的比例，可获得两种金属间特征物相的irvmn，包括ir1m1与ir3m特征物相，且ir金属载量可调节。由于本发明提供的该种催化剂具有高的电化学活性面积，高度有序的金属间结构可显著提升其反应活性，在电催化水分解氧析出反应中能表现出优异的催化性能，具有重要的应用前景。
24.本发明提供的上述制备方法，其工艺简便，合成方法简单，无需多步法复杂工艺，不依赖于传统的有机试剂，引入了大量的非贵金属元素，降低了金属铱的担量，使制备成本明显降低，可制备不同物相的三元铱基金属间化合物irvmn材料，普适性高，将一定比例的碳载体与氯化铱、氯化钒、氯化锰金属前驱体通过浸渍法充分混合，并在加热搅拌的条件下
蒸干溶剂，后经氢气和氩气的混合还原性气氛高温还原且有序化处理，通过调节金属前驱体盐的比例，可获得两种金属间化合物物相的irvmn，包括ir1m1与ir3m特征物相。
附图说明
25.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，而不应将其视为是对本发明范围的限制。其中：
26.图1为本发明的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的tem图；
27.图2为本发明的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的haddf-stem图；
28.图3为本发明的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的xrd图；
29.图4为本发明的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的oer性能图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.首先，本发明提供一种三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂，该电催化剂包括负载于碳载体表面的三元铱基金属间化合物irvmn纳米颗粒，该纳米颗粒的平均粒径为2～3nm，该纳米颗粒具有ir1m1金属间特征物相或ir3m金属间特征物相，其中，m为v/mn元素。
32.优选地，上述纳米颗粒中各元素的摩尔百分比可为：41％的铱、35％的钒以及24％的锰。
33.其中，图1为本发明的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的tem图，从图中可以清楚地看到纳米颗粒的粒径尺寸均一，且平均大小为2～3nm；图2为本发明的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的haddf-stem图，从图中可以清楚地看到纳米颗粒为高度有序化的金属间化合物；图3为本发明的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的xrd图，从图中可以清楚地看到本发明的该种电催化剂为金属间物相。
34.另一方面，本发明继而提供一种用于制备上述三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
35.s1、制备碳载体分散液
36.将一定量的碳载体分散于无水乙醇中，超声搅拌1～2小时，促使碳载体均匀分散在无水乙醇溶液中，以制备碳载体分散液；
37.s2、制备金属盐前驱体
38.将一定量的氯化铱、氯化钒和氯化锰金属盐溶解在无水乙醇中，超声搅拌分散均匀，随后将其滴加至步骤s1中制备的碳载体分散液内，再在70～90℃的温度下搅拌加热直至所有无水乙醇被蒸发，得到碳载irvmn氢氧化物粉末，即金属盐前驱体；其中，溶解于无水乙醇中的氯化铱、氯化钒的摩尔比为1:1-1.2或1.9-2.1:1，溶解于无水乙醇中的氯化铱、氯化锰的摩尔比为1:3.2-2.8；
39.s3、制备电催化剂
40.将步骤s2中制备的碳载irvmn氢氧化物粉末充分研磨，然后置于氢气/氩气混合气氛下升温进行高温热解处理，高温热解处理后即得三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂；
41.其中，若步骤s1中加入无水乙醇中的所碳载体的质量为a，步骤s2中制备的碳载irvmn氢氧化物粉末的质量为b，则有，a/(a+b)＝40～65％。
42.在本实施例中，碳载体具体选用科琴黑碳粉，将充分研磨碳载irvmn氢氧化物粉末置于瓷舟内，后经瓷舟转移至管式炉中于比例为1:9的氢气/氩气混合气氛下升温进行高温热解处理，升温进行高温热解处理的具体参数为：升温速率为3℃/min，保温温度为900℃，保温时间为3小时。
43.实施例一
44.(1)将科琴黑碳粉按4mg/ml的浓度分散于无水乙醇溶剂中，超声1～2小时，促使均匀分散，制备碳载体分散液；
45.(2)将氯化铱、氯化钒和氯化锰分别按1.7mg/ml、0.95mg/ml、2.2mg/ml的浓度溶于无水乙醇溶剂中，超声处理30分钟，促进溶解，随后将所得到的金属盐前驱体溶液滴加到碳载体分散液内，在80℃的温度下加热搅拌3小时，确保所有无水乙醇蒸发完毕，获得碳载irvmn氢氧化物粉末；
46.(3)将碳载irvmn氢氧化物粉末研磨后加入瓷舟，置于管式炉内，在氢气/氩气混合气氛下升温进行高温热解处理，以3℃/min的升温速率达到900℃，保温3小时，待反应结束后，即得到三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂，归属于ir1m1物相，且铱金属载量为20％。
47.实施例二
48.(1)将科琴黑碳粉按4mg/ml的浓度分散于无水乙醇溶剂中，超声1～2小时，促使均匀分散，制备碳载体分散液；
49.(2)将氯化铱、氯化钒和氯化锰分别按1.7mg/ml、0.5mg/ml、2.2mg/ml的浓度溶于无水乙醇溶剂中，超声处理30分钟，促进溶解，随后将所得到的金属盐前驱体溶液缓慢滴加到碳载体分散液内，在80℃的温度下加热搅拌3小时，确保所有无水乙醇蒸发完毕，获得碳载irvmn氢氧化物粉末；
50.(3)将碳载irvmn氢氧化物粉末研磨后加入瓷舟，置于管式炉内，在氢气/氩气混合气氛下升温进行高温热解处理，以3℃/min的升温速率达到900℃，保温3小时，待反应结束后，即得到三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂，归属于ir3m物相，且铱金属载量为20％。
51.实施例三
52.(1)将科琴黑碳粉按8mg/ml的浓度分散于无水乙醇溶剂中，超声1～2小时，促使均匀分散，制备碳载体分散液；
53.(2)将氯化铱、氯化钒和氯化锰分别按1.7mg/ml、0.95mg/ml、2.2mg/ml的浓度溶于无水乙醇溶剂中，超声处理30分钟，促进溶解，随后将所得到的金属盐前驱体溶液缓慢滴加到碳载体分散液内，在80℃的温度下加热搅拌3小时，确保所有无水乙醇蒸发完毕，获得碳载irvmn氢氧化物粉末；
54.(3)将碳载irvmn氢氧化物粉末研磨后加入瓷舟，置于管式炉内，在氢气/氩气混合气氛下升温进行高温热解处理，以3℃/min的升温速率达到900℃，保温3小时，待反应结束后，即得到三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂，归属于ir1m1物相，且铱金属载量为10％。
55.再一方面，本发明继而提供一种上述三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂在电解水析氧反应中的用途，其中，图4为本发明的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的oer性能图，与商业化ir/c和iro2对比，本发明的该种电催化剂展示了优异的催化性能。
56.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂，其特征在于：该电催化剂包括负载于碳载体表面的三元铱基金属间化合物irvmn纳米颗粒，该纳米颗粒的平均粒径为2～3nm，该纳米颗粒具有ir1m1金属间特征物相或ir3m金属间特征物相，其中，m为v/mn元素。2.根据权利要求1所述的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂，其特征在于，所述纳米颗粒中各元素的摩尔百分比为：41％的铱、35％的钒以及24％的锰。3.一种用于制备根据权利要求1或2所述的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：s1、制备碳载体分散液将一定量的碳载体分散于无水乙醇中，超声搅拌1～2小时，促使碳载体均匀分散在无水乙醇溶液中，以制备碳载体分散液；s2、制备金属盐前驱体将一定量的氯化铱、氯化钒和氯化锰金属盐溶解在无水乙醇中，超声搅拌分散均匀，随后将其滴加至步骤s1中制备的所述碳载体分散液内，再在70～90℃的温度下搅拌加热直至所有无水乙醇被蒸发，得到碳载irvmn氢氧化物粉末，即所述金属盐前驱体；其中，溶解于无水乙醇中的氯化铱、氯化钒的摩尔比为1:1-1.2或1.9-2.1:1，溶解于无水乙醇中的氯化铱、氯化锰的摩尔比为1:3.2-2.8；s3、制备电催化剂将步骤s2中制备的所述碳载irvmn氢氧化物粉末充分研磨，然后置于氢气/氩气混合气氛下升温进行高温热解处理，高温热解处理后即得所述三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂；其中，若所述步骤s1中加入无水乙醇中的所述碳载体的质量为a，所述步骤s2中制备的所述碳载irvmn氢氧化物粉末的质量为b，则有，a/(a+b)＝40～65％。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，上述步骤s1中，加入无水乙醇中的所述碳载体为科琴黑碳粉。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，上述步骤s3中，将充分研磨的所述碳载irvmn氢氧化物粉末置于瓷舟内，后经瓷舟转移至管式炉中置于氢气/氩气混合气氛下升温进行高温热解处理。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，上述步骤s3中，混合气氛中所述氢气/氩气的比例为1:9。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，上述步骤s3中，所述升温进行高温热解处理的具体参数为：升温速率为3℃/min，保温温度为900℃，保温时间为3小时。8.根据权利要求3-7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，当溶解在无水乙醇中的铱与钒的摩尔比为1:1-1.2时，所述三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的所述纳米颗粒具有ir1m1金属间特征物相。9.根据权利要求3-7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，当溶解在无水乙醇中的铱与钒的摩尔比为1.9-2.1:1时，所述三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂的所述纳米颗粒具有ir3m金属间特征物相。10.一种权利要求1或2所述的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂或根据权利要求3-9中任意一项所述的制备方法制备的三元铱基金属间化合物irvmn电催化剂在电解水析
氧反应中的用途。

技术总结
本发明公开了一种三元铱基金属间化合物IrVMn电催化剂及其制备方法，该电催化剂包括负载于碳载体表面的三元铱基金属间化合物IrVMn纳米颗粒，具有高度有序化的特点；其制备方法将一定比例的碳载体与氯化铱、氯化钒、氯化锰金属前驱体通过浸渍法充分混合，并在加热搅拌的条件下蒸干溶剂，后经氢气/氩气的混合还原性气氛高温还原且有序化处理后制备该电催化剂，工艺简便，合成方法简单，无需多步法复杂工艺，不依赖于传统的有机试剂；制备所得的该电催化剂具有高的电化学活性面积，高度有序的金属间结构可显著提升其反应活性，在电催化水分解氧析出反应中能表现出优异的催化性能，具有重要的应用前景。具有重要的应用前景。具有重要的应用前景。


技术研发人员：郭少军 吕帆 罗恒
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/11