一种铱钌金核壳结构纳米材料及其制备方法和应用

本发明属于贵金属催化剂及新能源催化领域，尤其涉及一种铱钌金核壳结构纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着化石能源的逐渐枯竭和环境污染的日益加剧，寻找新型清洁能源迫在眉睫。其中，氢能作为一种能量密度大、转化效率高、环境友好可再生的能源受到广泛研究，而电解水制氢技术在众多制氢手段中最为绿色环保。与阴离子交换膜电解水制氢（aem）相比，质子交换膜电解水制氢（pem）的产氢效率和纯度更高，技术更为成熟。

2、由于质子交换膜表面具有强酸性环境，在外加电压的情况下，只有ir、ru、au、pt等金属及其氧化物能耐受腐蚀。目前pem电解槽的阳极催化剂主要集中在ir、ru基材料，例如商业iro2催化剂，但高额的成本限制了其进一步应用。因此，发展一种新型的ir、ru基阳极催化剂，使其具有本征高活性的同时，能够在低ir、ru负载的情况下在pem电解槽中也具有较高的性能，这对新能源催化领域在工业上的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明解决的技术问题在于提供一种铱钌金核壳结构纳米材料及其制备方法和应用，所述铱钌金核壳结构纳米材料的制备方法简单快捷，安全高效，制备得到的铱钌金纳米材料具有均匀分散的核壳纳米线形貌，应用于质子交换膜电解水制氢阳极反应中具有高活性。

2、本发明提供一种铱钌金核壳结构纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将氯金酸和1-萘酚在液相介质加热反应，得到金纳米线；

4、s2、将所述金纳米线、铱源与钌源混合，在多元醇存在下进行热还原反应，所述多元醇为乙二醇、丙三醇、1,2-丙二醇和季戊四醇中的一种或几种，得到铱钌金核壳结构纳米材料；所述铱钌金核壳结构纳米材料表面的铱和钌以非晶相存在。

5、优选的，步骤s1包括：将氯金酸水溶液和1-萘酚乙醇溶液混合后加热反应，所述1-萘酚与氯金酸的摩尔比为3~15：1。

6、优选的，步骤s1中，所述反应的温度为40~80℃，所述反应的时间为1~5min。

7、优选的，步骤s2中，所述铱源为氯铱酸及其盐、乙酰丙酮铱和氯化铱中的一种或几种；

8、所述铱源与金纳米线的摩尔比为1~2：1。

9、优选的于，步骤s2中，所述钌源为氯化钌、乙酰丙酮钌、羰基钌和四氯钌酸钾中的一种或几种；

10、所述钌源与金纳米线的摩尔比为1~4：1。

11、优选的，步骤s2中，所述多元醇与铱源的用量比为1ml：0.01~0.05mmol；所述多元醇与钌源的用量比为1ml：0.01~0.1mmol。

12、优选的，步骤s2中，所述热还原反应在惰性气氛下进行，反应温度为100~160℃，反应时间为5~12h。

13、本发明提供一种铱钌金核壳结构纳米材料，其由前文所述的制备方法制备得到；所述铱钌金核壳结构纳米材料为均匀分散的核壳纳米线形貌，直径为5~20nm。

14、本发明提供前文所述的制备方法制备得到的铱钌金核壳结构纳米材料作为催化剂，在质子交换膜电解水制氢阳极反应中的应用。

15、与现有技术相比，本发明提供一种铱钌金核壳结构纳米材料，其作为催化剂具有较高的阳极析氧反应催化活性，可作为质子交换膜电解水制氢装置中的阳极催化材料；其制备方法主要是先制得金纳米线，然后将所得金纳米线与铱源、钌源和多元醇均匀混合，所述多元醇为乙二醇、丙三醇、1,2-丙二醇和季戊四醇中的一种或几种，在惰性气氛性进行加热反应，得到铱钌金核壳结构纳米材料。本发明采用热还原反应制备得到铱钌金核壳结构纳米材料，制得的纳米材料为均匀分布的核壳纳米线形貌，作为催化剂应用在质子交换膜电解水制氢阳极反应中具有高活性，具有广阔的工业应用前景。本发明所述的制备方法简单快捷，安全高效。该合成方法在制备核壳结构纳米材料上具有高度的拓展性，为核壳结构纳米材料应用于新型能源催化领域提供了有效的制备途径。

技术特征：

1.一种铱钌金核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1包括：将氯金酸水溶液和1-萘酚乙醇溶液混合后加热反应，所述1-萘酚与氯金酸的摩尔比为3~15：1。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述反应的温度为40~80℃，所述反应的时间为1~5min。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述铱源为氯铱酸及其盐、乙酰丙酮铱和氯化铱中的一种或几种；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述钌源为氯化钌、乙酰丙酮钌、羰基钌和四氯钌酸钾中的一种或几种；

6.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述多元醇与铱源的用量比为1ml：0.01~0.05mmol；所述多元醇与钌源的用量比为1ml：0.01~0.1mmol。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述热还原反应在惰性气氛下进行，反应温度为100~160℃，反应时间为5~12h。

8.一种铱钌金核壳结构纳米材料，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到；所述铱钌金核壳结构纳米材料为均匀分散的核壳纳米线形貌，直径为10~20nm。

9.一种质子交换膜电解水制氢的方法，其特征在于，在阳极反应中应用权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的铱钌金核壳结构纳米材料作为催化剂。

技术总结
本发明公开了一种铱钌金核壳结构纳米材料及其制备方法和作为催化剂在电解水制氢中的应用研究，属于贵金属催化剂及新能源催化领域。本发明实施例所述纳米材料的制备方法包括以下步骤：1）利用1‑萘酚乙醇溶液作为还原剂与氯金酸水溶液混合反应，得到金纳米线；2）将所得金纳米线与铱源、钌源和多元醇均匀混合，在惰性气氛下进行加热反应，得到铱钌金核壳结构纳米材料。本发明采用化学还原法制备得到铱钌金核壳结构纳米材料，所述制备方法简单快捷，安全高效，作为催化剂应用在质子交换膜电解水制氢（PEMWE）器件中，拥有较高的阳极析氧催化活性，这为核壳结构纳米材料应用在新型能源催化领域提供了新思路。

技术研发人员：王功名,迟彭
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21