[發(fā)明專利]一種Ru基析氫催化劑及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2019-06-06
• 公開（公告）號: CN110152712B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張佳楠;喬越洋;程永;程俊淇;許群
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州大學(xué)
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C25B1/04;C25B11/091;B01J35/06
• 代理公司: 鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所(普通合伙) 41104
• 代理人: 時(shí)立新;付艷麗

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了一種Ru基析氫催化劑及其制備方法和應(yīng)用，包括如下步驟：1）、將聚苯胺纖維在惰性氣氛下升溫至700?1100℃，保溫3?5h，所獲得的黑色產(chǎn)物即為含氮碳纖維；2）、將步驟1）所得含氮碳纖維、三聚氰胺和氯化釕分散于硼酸的水溶液中得到懸濁液，將所得懸濁液進(jìn)行干燥，所得干燥產(chǎn)物在惰性氣氛下升溫至500?800℃，保溫2?4h后，所獲得的黑色粉末即為Ru基析氫催化劑；其中，所述含氮碳纖維、三聚氰胺、硼酸和氯化釕的質(zhì)量比為2?4：2?6：2?6：1。本發(fā)明利用B和N摻雜的碳納米纖維，有效的分散了Ru₂B₃納米顆粒，且該催化劑在全pH范圍內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Ru基析氫催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

氫氣（H₂）是最具吸引力的清潔能源之一，具有優(yōu)異的能量儲存和轉(zhuǎn)化性能。為了實(shí)現(xiàn)高效的水裂解，人們迫切希望找到有效的HER（析氫）催化劑。Pt基催化劑雖然具有最佳的綜合催化性能，可大大降低電化學(xué)過程的能量勢壘，加速H⁺到H₂的電化學(xué)反應(yīng)速率。但是，對于大規(guī)模的制氫來說，貴金屬為稀缺資源，成本高昂，另一方面，考慮到其過程中不可避免的質(zhì)子濃度變化，而理想的催化劑要求在通用的pH條件下工作良好，從而使水裂解過程更節(jié)能。

Ru基催化劑在活性中心與氫（≈65 kcal mol^-1）具有中等的“類Pt”結(jié)合強(qiáng)度和類金屬電子傳輸性質(zhì)，而且Ru的成本僅是Pt的4%，這對商業(yè)化應(yīng)用非常有吸引力。在過去的幾年中，學(xué)者們在Ru基催化劑的形態(tài)控制、制備Ru基的復(fù)合材料或能帶工程等方面付出了許多努力，這些成功地為Ru基催化劑提供了額外的活性中心，以增強(qiáng)其催化作用。

Jong Beom Baek等人（Su J, Yang Y, Xia G, et al. Nature Communications,2017, 8: 14969-14980.）闡明了以六酮環(huán)己烷和六氨基苯三鹽酸鹽在氯化釕（RuCl₃）為Ru前體的存在下進(jìn)行縮聚反應(yīng)，然后在反應(yīng)結(jié)束后用硼氫化鈉（NaBH₄）還原，可合成均勻分布在C₂N多孔結(jié)構(gòu)中的Ru納米粒子，在10 mA cm^-2下的過電位為17.0 mV。

喬和他的同事（Zheng Y, Jiao Y, Zhu Y, et al. Journal of the AmericanChemical Society, 2016, 138: 16174-16181.）合成了一種以碳（Ru/C₃N₄/C）為載體的Ru石墨碳氮化物，一種特殊的碳基材料（例如，g-C₃N₄）可以誘發(fā)過渡金屬（例如，Ru）的異常晶體結(jié)構(gòu)，在10 mA cm^-2下過電勢為79 mV。目前報(bào)道的Ru基催化劑雖然具有電催化活性，但都不能在較寬的pH范圍內(nèi)保持催化活性。因此，需要對Ru基催化劑電子-聲子相互作用進(jìn)行更精確的裁剪以進(jìn)一步優(yōu)化其催化性能。