[發明專利]一種(Ru-P)@Pt單原子合金材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110983719.1
• 申請日: 2021-08-25
• 公開（公告）號: CN113604832B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 陳敏康;林洪棟;周慧彬;汪海濤;王干軍;馮國鵬;劉文浩;姜山;陸文偉;梁建輝;黃智勇;陳嘉豪;黃錦堅;劉石;劉志剛;凌彬
• 申請（專利權）人: 廣東電網有限責任公司;廣東電網有限責任公司中山供電局
• 主分類號: C25B11/054
• 分類號: C25B11/054;C25B11/065;C25B11/097;C25B1/04;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 彭東威

本發明涉及電化學技術領域，尤其涉及一種(Ru?P)@Pt單原子合金材料及其制備方法與應用。本發明公開了一種(Ru?P)@Pt單原子合金材料具有鉑和釕雙活性位點，且雙活性位點具有協同效應，使得(Ru?P)@Pt單原子合金材料具有高效的電解水析氫性能和耐久穩定性，在電催化領域具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及電化學技術領域，尤其涉及一種(Ru-P)@Pt單原子合金材料及其制備方法與應用。

背景技術

在過去的十年，由于鋰電池技術和產業的突飛猛進，氫燃料電池被過度輕視。而最近一兩年鋰電池行業遇到一些瓶頸，氫燃料電池又重新引起了主機廠的關注。如果儲氫系統壓力足夠大，小體積的液態氫可以達到很高的續航，除此之外，氫氣也是最潔凈的能源，氫燃料電池的反應產物只有水。氫氣可以大量并長期儲存電能，也是一種可以長途運輸的能量載體。另外，作為燃料電池中的燃料又可以發電和驅動汽車。將來，期望利用源自可再生能源的氫氣來建立從生產到使用的無二氧化碳(CO₂)的氫氣供應系統。電化學水分解產生的氫氣可實現電能與氫氣之間的能量轉換，為可持續氫經濟提供更大可能性。而電化學析氫反應(HER)在清潔、可持續的氫能源中扮演重要的角色。一般來說，HER既可以在酸性介質中發生，也可以在堿性介質中發生。但是，酸性HER催化劑的應用受限于昂貴的質子交換膜，以及對電極上緩慢的酸性析氧反應，堿性HER則可以避免這些障礙。與酸性條件不同，堿性溶液中缺乏HER反應所需的H⁺離子，因此需要增加一步額外的水分子解離步驟(waterdissociation step)，導致反應動力學降低，即使使用一直被認為最活潑的鉑催化劑，動力學也會比在酸中低兩個數量級。因此，獲得高效的堿性HER催化劑仍然是一個巨大的挑戰。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種(Ru-P)@Pt單原子合金材料及其制備方法與應用，該材料具有鉑和釕雙活性位點，且雙活性位點具有協同效應，使得(Ru-P)@Pt單原子合金材料具有高效的電解水析氫性能和耐久穩定性。

本發明提供了一種(Ru-P)@Pt單原子合金材料，包括：碳納米管和負載在所述碳納米管表面的(Ru-P)@Pt單原子合金；

所述(Ru-P)@Pt單原子合金包括：釕原子、磷原子和鉑納米粒子；

磷原子和鉑原子負載在鉑納米粒子表面。

本發明中，(Ru-P)@Pt單原子合金材料中不同原子之間相互協同，提高催化活性。本發明中，所述(Ru-P)@Pt單原子合金材料中釕原子、磷原子和鉑原子的質量比為(3～12)：(1～5)：(1～4)，優選為3:1:1，6:1:2，12:5:4，3:2:1。

本發明還提供了一種(Ru-P)@Pt單原子合金材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：將碳納米管溶液加入釕源溶液中，進行加熱回流，然后加入還原劑溶液，進行還原反應，得到負載有無定形釕納米粒子的碳納米管；

步驟2：對負載有無定形釕納米粒子的碳納米管進行研磨，進行熱處理，得到負載有定形的釕納米粒子的碳納米管；

步驟3：對所述負載有定形的釕納米粒子的碳納米管在磷源的存在下進行熱處理，得到負載有釕納米粒子和磷納米粒子的碳納米管；

步驟4：將所述負載有釕納米粒子和磷納米粒子的碳納米管的溶液與鉑源混合，再加入還原劑進行反應，得到(Ru-P)@Pt單原子合金材料。

本發明P原子和Pt單原子摻雜在Ru納米粒子上，修飾納米粒子，使得Ru的分散性好，從本發明TEM的結果可以看出Ru納米粒子均勻分散在碳納米管上。同時不同原子之間的協同作用可以提高催化活性。

本發明利用負載在碳納米管上Ru納米粒子和Pt單原子協同催化作用，構筑雙活性位點，此外，P的電負性很大，容易與金屬發生成鍵并產生電荷轉移。同時，P原子半徑很小，摻雜在晶格里面而不會改變原來的晶格構型。