一种铱锌超薄纳米片材料、其制备方法及用途

本发明属于在酸性环境中电催化水分解制氢材料，具体涉及一种铱锌超薄纳米片材料、其制备方法及用于析氧电极材料的用途。

背景技术：

1、随着经济的不断发展全球对于能源的需求量不断扩大，能源危机与环境问题日益突出，在此背景下开发清洁和可持续能源迫在眉睫。氢能具有能量密度高(～120mj/kg)、环境友好与可持续的特点，是解决全球环境问题和能源需求的理想能源。传统化石燃料制氢存在氢气纯度低和环境污染问题，而清洁、安全与高效的水分解制氢是一种具有前景的制氢技术。然而析氧反应中缓慢的四电子转移对水分解是一个巨大的挑战，其反应动力学较为迟缓，是水分解反应过程中的限速步骤。质子交换膜水电解(pemwe)被认为是最高效、稳定和可靠的制氢技术之一，其具有产氢纯度高、最大允许电流密度高、转化率高与产氢量大等优势；然而在酸性环境中进行稳定的电解和维持低电解槽电压通常需要ir基贵金属催化剂才能实现，这增加了制氢的成本。因此在酸性介质中开发高质量活性与稳定性的ir基的阳极析氧电催化剂对于促进pemwe的工业应用至关重要。

2、过渡金属修饰是一种能够同时降低贵金属负载与提升irox酸性析氧性能的简单有效策略。由于原子异质结构存在强电子相互作用，其有助于调控ir活性位点的电子结构并降低电子密度，从而优化反应中间体在活性位点表面的吸脱附能，也降低了反应能垒并提高析氧反应(oxygen evolution reaction，oer)动力学。另外，无定形相中存在丰富的水或氢氧化物分子吸附位点，结晶相具有良好的导电性与稳定性，能够驱动电子转移至被吸附的分子上，促进吸附物种与催化剂表面之间的电荷转移，异质界面处结晶相与无定形相之间的协同作用也能够加速原本缓慢的oer动力学。因此通过非贵金属修饰构建原子异质结构与结晶/无定形相界面有望实现oer性能的进一步提升。金属zn具有无毒、廉价且易获得的特点，但其酸性oer活性与稳定性较差；文献(tuning the hybridization state ofir-o to improve the oer activity and stability of iridium pyrochlore via zndoping,applied surface science,2022.)中通过zn掺杂所制备的lu1.8zn0.2ir2o7纳米粒子在10ma cm-2电流密度下的析氧过电位为331mv，质量活性在1.58v vs.rhe的电压下仅达到135.32a g-1ir，在10ma cm-2的电流密度下其析氧稳定性仅为11小时，虽然掺杂zn后活性明显提升(lu2ir2o7质量活性为108.75a g-1ir)，但其析氧活性和稳定性仍较差，稳定运行时间较短。

3、为此提出本发明。

技术实现思路

1、为解决现有水分解阳极析氧电极材料昂贵和性能差的问题，本发明提供了一种高活性和优异稳定性的铱锌超薄纳米片材料。本发明制备得到的铱锌超薄纳米片材料用于析氧电极，其析氧性能得到显著提升。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明第一方面公开了一种高活性和优异稳定性的铱锌超薄纳米片材料，其纳米片的厚度为5-20nm。

4、优选地，所述铱锌超薄纳米片材料中zn/ir原子个数比为(11.5-4.9)∶1。

5、优选地，所述铱锌超薄纳米片材料中具有原子异质结构，且存在结晶相与无定形相异质界面。

6、本发明第二方面公开了所述的铱锌超薄纳米片材料的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将锌前驱体和2-甲基咪唑分别溶解于甲醇中得到各自的甲醇溶液；

8、(2)将步骤(1)的两种甲醇溶液混合，分离、洗涤、干燥，得到白色固体；

9、(3)将白色固体分散在超纯水中得到分散液，将铱前驱体溶液逐滴加入至分散液中混合，分离、洗涤、干燥，得到淡黄色固体；

10、(4)将淡黄色固体粉末煅烧，得到灰蓝色粉末，即为所述的铱锌超薄纳米片材料。

11、优选地，步骤(1)所述的锌前驱体为zn(no3)2·6h2o，步骤(3)所述的铱前驱体溶液为氯铱酸溶液。

12、优选地，步骤(2)混合温度为25-35℃，时间为3-4小时；洗涤方法为使用甲醇洗涤至少三次；干燥温度为50-80℃。

13、优选地，步骤(3)混合温度为35-45℃，时间为10-12小时；洗涤方法为依次使用水和乙醇分别洗涤至少三次；干燥温度为50-80℃。

14、优选地，步骤(4)煅烧温度为380-450℃，时间为4-5小时。

15、本发明第三方面公开了所述的铱锌超薄纳米片材料用于析氧电极的用途。

16、本发明的有益效果：

17、1、本发明的铱锌金属氧化物合金材料具有超薄纳米片结构，纳米片厚度为5-20nm；用于析氧电极时超薄纳米片层结构可强化催化剂与电解质之间的界面接触，有利于充分暴露活性位点并增大电化学活性面积。

18、2、本发明的铱锌超薄纳米片材料中形成的ir与zn原子异质结构存在强电子相互作用，有助于调控ir活性位点的电子结构并降低电子密度；用于析氧电极时优化了反应中间体在活性位点表面的吸脱附能，也降低了反应能垒并提高析氧反应动力学，因而能够产生卓越的电子转移能力以及快速的析氧反应动力学。

19、3、本发明的铱锌超薄纳米片材料中具有结晶相和无定形相异质结构。其存在丰富的结晶相与无定形相异质界面，以及产生适当比例的金属氧与羟基氧含量；无定形相中存在丰富的水或氢氧化物分子吸附位点，其表面羟基容易转化成亲电oi-物种，有利于被水分子或羟基配体进行亲核攻击，促进o-o偶联产生o2；结晶相具有良好的导电性与稳定性，能够驱动电子转移至被吸附的分子上，促进吸附物种与催化剂表面之间的电荷转移；用于析氧电极时两相的协同作用能够加速原本缓慢的析氧反应动力学，有利于获得适宜的中间体结合能，从而降低反应能垒并提升催化活性。

20、4、本发明的铱锌超薄纳米片材料具有优异的析氧性能，在达到10ma cm-2的电流密度时析氧过电位仅有271mv，低于氧化铱的338mv和氧化锌(无活性)的析氧过电位；同时tafel曲线斜率与电荷转移电阻也低于氧化铱，具有卓越的电荷转移能力与快速的析氧反应动力学。

21、5、本发明的铱锌超薄纳米片材料铱锌超薄纳米片结构稳定，在10ma cm-2电流密度下的析氧稳定性测试中，运行了115小时后活性并未明显衰减，显著优于文献中报道的zn掺杂所制备的lu1.8zn0.2ir2o7纳米粒子的性能。

22、6、本发明铱锌超薄纳米片材料的制备方法为简单的浸渍-煅烧方法，本发明首次合成具有结晶相/无定形相和超薄纳米片层结构的高活性铱锌金属氧化物合金材料。本发明的制备方法原料来源广泛，合成路径简单，其高活性和强稳定性适用于工业化的质子交换膜水电解槽。本发明的铱锌超薄纳米片材料及其制备方法为首次报道。

技术特征：

1.一种铱锌超薄纳米片材料，其特征在于，其纳米片的厚度为5-20nm。

2.根据权利要求1所述的铱锌超薄纳米片材料，其特征在于，所述铱锌超薄纳米片材料中zn/ir原子个数比为(11.5-4.9)∶1。

3.根据权利要求1所述的铱锌超薄纳米片材料，其特征在于，所述铱锌超薄纳米片材料中具有原子异质结构，且存在结晶相与无定形相异质界面。

4.根据权利要求1所述的铱锌超薄纳米片材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的锌前驱体为zn(no3)2·6h2o，步骤(3)所述的铱前驱体溶液为氯铱酸溶液。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)混合温度为25-35℃，混合时间为3-4小时；洗涤方法为使用甲醇洗涤至少三次；干燥温度为50-80℃。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)混合温度为35-45℃，时间为10-12小时；洗涤方法为依次使用水和乙醇分别洗涤至少三次；干燥温度为50-80℃。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)煅烧温度为380-450℃，时间为4-5小时。

9.根据权利要求1-3任一所述的铱锌超薄纳米片材料用于析氧电极的用途。

技术总结
本发明公开了一种铱锌超薄纳米片材料，其纳米片的厚度为5‑20nm；所述铱锌超薄纳米片材料中Zn/Ir原子个数比为(11.5‑4.9)∶1；其具有丰富的结晶/无定形相异质界面。本发明还公开了所述铱锌超薄纳米片的简单制备方法及用于析氧电极材料的用途。本发明的铱锌超薄纳米片材料性能优于商用贵金属氧化铱材料。

技术研发人员：王庆法,孙久义,张香文,邹吉军
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/13