[发明专利]一种双金属碳纳米复合电催化材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种双金属碳纳米复合电催化材料的制备方法，包括以下步骤：1)将铜盐溶于水，搅拌至蓝色透明，得溶液A；2)将均苯三甲酸溶于无水乙醇和DMF的混合溶剂中，搅拌得到溶液B；3)将溶液A和溶液B均匀混合后超声1‑3h，将沉淀物洗涤后置于40‑80℃的烘箱中干燥1‑3h，得Cu₃(BTC)₂前驱体；4)将Cu₃(BTC)₂分散在去离子水和无水乙醇的混合溶剂中，加入RuCl₃·xH₂O搅拌反应4‑24h后，离心得到沉淀物，将其使用无水乙醇洗涤后干燥得含Cu和Ru双金属的MOFs材料；5)将MOFs材料置于管式炉里，在惰性气氛中升温到400‑700℃并保温1‑5h，冷却至室温，得含Cu和Ru双金属碳纳米复合电催化材料CuRu/C。本发明制备方法简单、成本低、催化性能优异。

技术领域

本发明属于材料化学领域，尤其是涉及一种含Cu和Ru的双金属碳纳米复合电催化材料的制备方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，能源与环境成为人们日益关注的问题，太阳能和风能等可再生能源在人类社会总能源消费中所占的消费比例也逐步提高。但是由于这类可再生能源在转化和使用过程中电能存在一定间歇性和波动性，所以，可充电电池、电化学电容器、电解槽和燃料电池等电化学储能和转换等技术，在实现高效和可持续的能源利用方面将发挥十分关键的作用。尽管它们的工作原理不同，但这些电化学装置都是由相似的关键功能组件所构成的，而用于这些组件中的功能材料的电化学性质(例如氧化还原和催化活性)将决定装置的整体性能。因此，制备电化学性能优良的功能材料已成为电化学领域重要的研究方向。

氢气具有高能量密度和生产环保可实现的优点，被认为是可持续能源经济的理想能源载体。水分解产氢是当代清洁能源技术的主要组成部分，然而由于水分解过程中电位过大，它实际应用是非常有限的。所以高效、低成本的水分解技术将对氢能源的应用发挥着至关重要的作用。在水分解产氢的过程中，合适的催化剂使用可以有效降低反应活化能，从而加快反应进程和产氢效率。目前，应用最广泛的催化剂主要基于Pt基纳米材料，但是地壳中含量有限自身成本较高，因此寻找低成本可替代的催化材料是当前材料研究的热点之一。

金属-有机骨架(MOFs)材料作为一种新型的多孔有机-无机杂化材料，具有种类繁多，功能多样、结构可调等特点。与无机材料相类似，含有氧化还原活性金属中心的MOFs也具有一定的电化学活性。MOFs具有有机分子配位的金属位点和容易调节的孔结构，这也为其性能的优化提升提供了结构基础。现在，已经有很多相关的文献报道，通过调控金属和有机组分构筑复合MOFs材料，将 MOFs成功地用作充电电池和电化学电容器的电极材料，用于燃料电池的高效电催化剂，甚至用于电化学装置的电解质，但是大多数MOFs仍存在化学性质不稳定和导电性能差的缺点。近来，将MOFs材料加热转化为可利用的金属化合物和碳化物催化材料的研究已引起广泛的重视，研究表明这些MOF衍生的功能材料不仅保留了原本材料的优良特性，而且化学性质会更为稳定、导电性能更好，通常具有非常优异的催化性能，在电化学领域具有十分重要的的开发潜力。

目前，电催化产氢(HER)的基础研究主要是在酸性条件下进行的，主要是因为其反应途径相对简单，这也导致该方向研究应用存在一定的局限性。近年来，逐渐开始有文献报道将掺杂Ru的材料应用于HER电催化测试研究。与Pt相比， Ru价格具有一定的优势，其价格约为Pt的十五分之一。此外，Ru具有与氢气相似的结合强度，但是，现在关于Ru作为HER催化剂的报道仍然较少。利用外来金属原子掺杂非贵金属基碳复合材料也可以优化材料催化活性。掺杂入Cu 等金属离子不仅可以进一步降低Ru的含量以减低成本，还可以进一步提升材料性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有良好HER电催化性能的、含有Cu和Ru的双金属碳纳米复合电催化材料的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双金属碳纳米复合电催化材料的制备方法，其包括以下步骤：