[發(fā)明專利]一種釕、氮共摻雜多孔碳催化劑及其制備方法和在電解析氫中的應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113136591B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝建暉;李懿君;劉慧婧;潘運(yùn)玲;李兵
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/091
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發(fā)明公開了一種釕、氮共摻雜多孔碳催化劑及其制備方法和在電解析氫中的應(yīng)用，該催化劑是以乙二胺四乙酸鹽為配體和碳源，結(jié)合釕鹽制備出釕配合物前驅(qū)體，然后對其進(jìn)行高溫?zé)峤?，即獲得目標(biāo)產(chǎn)物。本發(fā)明的催化劑具有高效的析氫活性和持久的穩(wěn)定性，應(yīng)用前景廣泛。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于電化學(xué)析氫反應(yīng)的電催化劑的制備方法，具體涉及一種釕、氮共摻雜多孔碳催化劑的制備方法。

背景技術(shù)

氫氣不僅是重要的工業(yè)原料，也是一種清潔能源和良好的能源載體，它可以滿足電化學(xué)儲能及儲熱的長周期、大容量需求，有效保障了未來高比例可再生能源體系的安全穩(wěn)定運(yùn)行。氫能的發(fā)展前景廣闊，但氫氣的生產(chǎn)主要依賴于不可再生的化石能源，如甲烷蒸汽重整和水煤氣轉(zhuǎn)換等。化石能源的短缺和其造成的環(huán)境污染迫使人們尋找環(huán)境友好的可再生能源來產(chǎn)氫?？稍偕茉慈顼L(fēng)能、水能和太陽能可以提供充沛的電力，利用這些電力來電解水制氫，可以實(shí)現(xiàn)氫氣的無污染生產(chǎn)以及可再生能源的儲存。

電解水過程涉及到水的氧化和還原兩個(gè)電極反應(yīng)，因此需要析氧催化劑和析氫催化劑分別催化水的氧化和還原。鑒于目前析氧催化劑都只在堿性條件下展現(xiàn)出好的催化性能和穩(wěn)定性，因此需要發(fā)展堿性條件下的析氫催化劑，與析氧催化劑一起完成水分解反應(yīng)。然而，堿性條件下的非貴金屬析氫催化劑受制于水的解離步驟，催化活性和穩(wěn)定性仍然較差。雖然鉑基電催化劑在堿性條件下具有優(yōu)異的析氫催化活性和穩(wěn)定性，但鉑金屬的成本昂貴儲量稀缺，極大地限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，亟需研發(fā)其它成本低、性能好的堿性析氫催化劑。

釕金屬不僅可以很好地催化水解離，而且其價(jià)格相對鉑更加便宜，因而有望用于設(shè)計(jì)優(yōu)異的釕基堿性析氫催化劑。另一方面，多孔碳材料因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、大的比表面積以及良好的耐腐蝕性，被廣泛用作各種金屬催化劑的骨架。但是直接負(fù)載的金屬，經(jīng)常會在催化反應(yīng)過程中脫落或聚集。以釕配合物前驅(qū)體制備釕碳復(fù)合材料，有利于得到金屬載體強(qiáng)相互作用的催化劑，從而提高所得催化劑的穩(wěn)定性和催化活性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異析氫性能的釕、氮共摻雜多孔碳催化劑的制備方法。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)目的，采用如下技術(shù)方案：

一種釕、氮共摻雜多孔碳催化劑的制備方法，其特點(diǎn)在于：以釕鹽和乙二胺四乙酸鹽為原料，在水中混合均勻并室溫?cái)嚢璺磻?yīng)，然后真空干燥，得到釕配合物前驅(qū)體；將所述釕配合物前驅(qū)體在惰性氣體條件下高溫?zé)峤?，再?jīng)酸洗、干燥，制得釕、氮共摻雜多孔碳催化劑。

作為優(yōu)選，所述的釕鹽為三氯化釕，所述的乙二胺四乙酸鹽(用于作為配體和碳源)為四水合乙二胺四乙酸四鈉。

作為優(yōu)選，所述釕鹽和所述乙二胺四乙酸鹽的摩爾比為1:5～20，優(yōu)選為1:8～12。

作為優(yōu)選，所述攪拌反應(yīng)的時(shí)間為0.5～1h。

作為優(yōu)選，所述惰性氣體為氮?dú)饣蛘邭鍤狻?/p>

作為優(yōu)選，所述高溫?zé)峤獾臏囟葹?50℃～950℃(溫度優(yōu)選為800℃～900℃)，時(shí)間為1～4h。

作為優(yōu)選，所述酸洗是將材料加入到濃度為0.05～1M的硫酸中攪拌12h，優(yōu)選為濃度為0.1～0.5M的硫酸。

本發(fā)明按上述制備方法所獲得的釕、氮共摻雜多孔碳催化劑中，氮質(zhì)量摻雜量為3％～4％、釕質(zhì)量摻雜量為15％～25％，其可以作為電化學(xué)析氫催化劑在電化學(xué)反應(yīng)中應(yīng)用，且其在堿性條件下有優(yōu)異的電化學(xué)析氫效果和穩(wěn)定性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明首次以含乙二胺四乙酸鹽配體的釕配合物為前驅(qū)體制備了釕、氮共摻雜多孔碳催化劑，由于配體的螯合作用可以錨定釕原子，提高釕的分散度，限制釕原子的團(tuán)聚，從而得到較小地釕納米簇，提高了催化劑的活性和穩(wěn)定性。