[发明专利]一种钌纳米金属电催化剂及制备方法

说明书

本发明公开了一种钌纳米金属电催化剂及制备方法，所述钌纳米金属电催化剂的制备方法包括以下步骤：制备钌酞菁类金属有机化合物；将所述钌酞菁类金属有机化合物与二维碳材料分散混合，得到电催化剂前驱体；将所述电催化剂前驱体在惰性气氛下高温热解，得到钌纳米金属粒子电催化剂。本发明制备电催化剂的方法简单，原料来源广泛，特别是钌的价格仅为铂的5％左右，可以大幅度降低催化剂的成本；本发明的电催化剂在酸碱性溶液中HER活性高，稳定性好，尤其是在碱性环境下优于商业化的Pt/C催化剂，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米材料电催化技术领域，具体涉及一种钌纳米金属电催化剂及制备方法。

技术背景

随着社会经济的快速发展，化石能源的快速消耗与日益严重的环境污染成为目前全球面临的主要问题，尤其是在中国的雾霾问题已经成为公众关注的焦点。因此寻找一种可以替代的清洁能源显得十分迫切。氢能源是环境友好的清洁能源，由于具有能量密度高，零污染排放的优点，被认为是未来最有希望替代石化能源的可持续清洁能源。目前氢气在自然界中含量极少，只能通过各种途径大规模制备氢气，其中电解水是一种比较简单，产氢纯度高且具有工业化生产价值的制氢技术。该技术面临的核心问题是开发低成本、高活性及稳定性优异的电催化剂，以此来降低电解水产氢所消耗的能量。

目前而言，贵金属铂(Pt)是目前最好的电解水析氢(HER)催化剂，但是由于高昂的价格以及Pt的稀缺性限制了它的广泛应用。而其他替代金属如铁，钴，镍，钼等过渡金属制备的催化剂，虽然成本降低，但是该类催化剂的活性以及在酸碱溶液中的稳定性都远差于贵金属Pt，因此尚无法满足产业化应用的要求。

发明内容

针对目前HER催化剂所存在的问题，本发明提供一种钌纳米金属粒子电催化剂及制备方法。

本发明提供如下技术方案：

一种钌纳米金属电催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.制备钌酞菁类金属有机化合物；

S2.将所述钌酞菁类金属有机化合物与二维碳材料分散混合，得到电催化剂前驱体；

S3.将所述电催化剂前驱体在惰性气氛下高温热解，得到钌纳米金属粒子电催化剂。

作为优选的，所述步骤S1中的钌酞菁类金属有机化合物通过金属钌盐与邻苯二甲腈混合反应制得。

作为优选的，所述钌盐为三氯化钌。

作为优选的，所述邻苯二甲腈为4-硝基邻苯二甲腈、4-氨基邻苯二甲腈、4-甲基邻苯二甲腈或者4-羧基邻苯二甲腈中的至少一种。

作为优选的，将所述金属钌盐与邻苯二甲腈在160℃下反应4小时，制得所述钌酞菁类金属有机化合物。

作为优选的，所述钌酞菁类金属有机化合物为四氨基钌酞菁。进一步优选的，所述四氨基钌酞菁的制取方法包括：

S11.将四硝基邻苯二甲腈与三氯化钌进行混合并搅拌均匀，

S12.将步骤S11所得的混合物加热至160℃，并维持在160℃反应4小时后自然冷却至室温，经研磨，甲醇、丙酮反复萃取后得到4-硝基钌酞菁粉末；

S13.将所述4-硝基钌酞菁与九水硫化钠混合，加入N，N-二甲基甲酰胺并在60℃水浴反应8小时，经过滤萃取得到4-氨基钌酞菁。

作为优选的，所述步骤S2中的二维碳材料为氧化石墨烯、石墨烯或者石墨相氮化碳中的至少一种。

作为优选的，所述步骤S2中，钌酞菁类金属有机化合物的质量占比为90—99wt％，二维碳材料的质量占比为1—10wt％。

作为进一步的优选，所述二维碳材料的质量占比为5wt％。