[發(fā)明專利]一種制備RuNC-T復(fù)合納米材料的方法及其應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110772961.4
• 申請(qǐng)日: 2021-07-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113584513A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔巖;孫燦;劉悅;祖姝;朱徐錕;張明道;陳敏東;曹暉;靳亞超;宋力
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號(hào): C25B11/04
• 分類號(hào): C25B11/04;C25B1/04;H01M4/92
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 殷星

本發(fā)明公開(kāi)了一種制備RuNC?T復(fù)合納米材料的方法及其應(yīng)用，該方法以ZIF?8為模板，將Ru通過(guò)冷凍干燥和熱解負(fù)載在氮摻雜的碳納米材料（NC）中，協(xié)同構(gòu)建用于氧還原反應(yīng)（ORR）和氫氣析出反應(yīng)（HER）的雙功能電催化劑。當(dāng)熱裂解溫度為1000℃時(shí)，得到的雙功能催化劑RuNC?1000的催化性能與Pt/C相媲美，同時(shí)可以提高合成的簡(jiǎn)便性和經(jīng)濟(jì)性，方便后期商用，為替代Pt/C催化劑提供了新的方案。該方法合成路線簡(jiǎn)單，成本低于商用鉑碳，可以獲得較高的催化效率，RuNC?1000在電池組裝過(guò)程中性質(zhì)穩(wěn)定，有助于提高電池整體壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備RuNC-T復(fù)合納米材料的方法及其應(yīng)用，屬于新能源材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

可持續(xù)能源的發(fā)展和環(huán)境問(wèn)題的日漸突出對(duì)開(kāi)發(fā)可再生、無(wú)污染的新一代清潔能源的要求越來(lái)越迫切。氫被認(rèn)為是未來(lái)替代傳統(tǒng)化石燃料的理想清潔替代品之一，燃料電池作為一種非常清潔高效的能源裝置，在電動(dòng)汽車和電源領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注，而電催化劑在加速電化學(xué)反應(yīng)，推進(jìn)燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用。

目前，Pt基材料的起始過(guò)電位接近于零，被認(rèn)為是最具前景的電催化劑。但其高昂的價(jià)格、稀缺的儲(chǔ)量和平庸的穩(wěn)定性嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)類似Pt基的成本低廉且高效穩(wěn)定的電催化劑仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。Ru基催化劑具有豐富的氧化還原化學(xué)和多種價(jià)態(tài)并且其成本低于金屬Pt。另一方面，摻雜可以調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，是提高材料電催化性能的有效策略，N摻雜可以捕獲金屬原子周圍的電子，具有較弱的電負(fù)性，影響電子密度或由原子取代引起材料相結(jié)構(gòu)的變化，而Ru-H的鍵強(qiáng)度接近Pt-H，從而使Ru催化劑可能具有優(yōu)異的電催化性能。

CN201911146213.4公開(kāi)了一種鈷鐵雙金屬氮化物復(fù)合電催化劑及其制備方法。該電催化劑按質(zhì)量百分比包括：氮化鐵20～52％，氮化鈷44～26％，余量為碳布。制備方法為：將碳布用濃硝酸回流后清洗，干燥；配制硝酸鈷水溶液，將其加入配制好的2-甲基咪唑水溶液中，攪拌混合均勻，然后向所得混合溶液中加入處理過(guò)的碳布，室溫下反應(yīng)后清洗干燥，得到ZIF-67/碳布復(fù)合材料，將其加入配制好的亞鐵氰化鉀水溶液中，室溫下反應(yīng)后，清洗干燥，然后煅燒，冷卻至室溫后，得到氮化鐵/氮化鈷/碳布復(fù)合材料。然而，這種制備方法含有多步反應(yīng)，制備時(shí)間成本高，并且氮化鐵/氮化鈷/碳布復(fù)合材料的催化性能還無(wú)法滿足商業(yè)化需求。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種制備RuNC-T復(fù)合納米材料的方法及其應(yīng)用，該方法以ZIF-8為模板，將Ru通過(guò)冷凍干燥和熱解負(fù)載在氮摻雜的碳納米材料中，協(xié)同構(gòu)建用于氧還原反應(yīng)（ORR）和氫氣析出反應(yīng)（HER）的雙功能電催化劑，性能與Pt/C相媲美，同時(shí)可以提高合成的簡(jiǎn)便性和經(jīng)濟(jì)性，方便后期商用，為替代Pt/C催化劑提供了新的替代產(chǎn)品。

一種制備RuNC-T復(fù)合納米材料的方法，包括以下步驟：

步驟1，向玻璃瓶中加入ZIF-8和等質(zhì)量的混合物A，再加去離子水進(jìn)行分散，室溫下分別攪拌和超聲處理30分鐘得混合溶液，所述混合物A由D-氨基葡萄糖、氯化鋅與氯化釕混合而成；

步驟2，對(duì)混合溶液進(jìn)行冷凍干燥得前驅(qū)體；

步驟3，將前驅(qū)體在氬氣氣氛下在管式爐中以2~10℃/min的升溫速率加熱至700~1100℃進(jìn)行熱裂解，保溫2~6小時(shí)后冷卻至室溫，得RuNC-T復(fù)合納米材料，其中T代表熱裂解溫度。

作為改進(jìn)的是，所述混合物A中D-氨基葡萄糖、氯化鋅與氯化釕的摩爾比為3~8：4~1：3~1。

進(jìn)一步改進(jìn)的是，所述混合物A中D-氨基葡萄糖、氯化鋅與氯化釕的摩爾比為5:2:1。

作為改進(jìn)的是，所述步驟3中管式爐的升溫速率為2℃/min。

上述RuNC-T復(fù)合納米材料在電催化氧還原反應(yīng)、氧析出反應(yīng)、氫氣析出反應(yīng)或金屬-空氣電池中的應(yīng)用。

有益效果：