[发明专利]一种Ru基析氢催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种Ru基析氢催化剂及其制备方法和应用，包括如下步骤：1）、将聚苯胺纤维在惰性气氛下升温至700‑1100℃，保温3‑5h，所获得的黑色产物即为含氮碳纤维；2）、将步骤1）所得含氮碳纤维、三聚氰胺和氯化钌分散于硼酸的水溶液中得到悬浊液，将所得悬浊液进行干燥，所得干燥产物在惰性气氛下升温至500‑800℃，保温2‑4h后，所获得的黑色粉末即为Ru基析氢催化剂；其中，所述含氮碳纤维、三聚氰胺、硼酸和氯化钌的质量比为2‑4：2‑6：2‑6：1。本发明利用B和N掺杂的碳纳米纤维，有效的分散了Ru₂B₃纳米颗粒，且该催化剂在全pH范围内均表现出优异的析氢性能。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种Ru基析氢催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氢气（H₂）是最具吸引力的清洁能源之一，具有优异的能量储存和转化性能。为了实现高效的水裂解，人们迫切希望找到有效的HER（析氢）催化剂。Pt基催化剂虽然具有最佳的综合催化性能，可大大降低电化学过程的能量势垒，加速H⁺到H₂的电化学反应速率。但是，对于大规模的制氢来说，贵金属为稀缺资源，成本高昂，另一方面，考虑到其过程中不可避免的质子浓度变化，而理想的催化剂要求在通用的pH条件下工作良好，从而使水裂解过程更节能。

Ru基催化剂在活性中心与氢（≈65 kcal mol^-1）具有中等的“类Pt”结合强度和类金属电子传输性质，而且Ru的成本仅是Pt的4%，这对商业化应用非常有吸引力。在过去的几年中，学者们在Ru基催化剂的形态控制、制备Ru基的复合材料或能带工程等方面付出了许多努力，这些成功地为Ru基催化剂提供了额外的活性中心，以增强其催化作用。

Jong Beom Baek等人（Su J, Yang Y, Xia G, et al. Nature Communications,2017, 8: 14969-14980.）阐明了以六酮环己烷和六氨基苯三盐酸盐在氯化钌（RuCl₃）为Ru前体的存在下进行缩聚反应，然后在反应结束后用硼氢化钠（NaBH₄）还原，可合成均匀分布在C₂N多孔结构中的Ru纳米粒子，在10 mA cm^-2下的过电位为17.0 mV。

乔和他的同事（Zheng Y, Jiao Y, Zhu Y, et al. Journal of the AmericanChemical Society, 2016, 138: 16174-16181.）合成了一种以碳（Ru/C₃N₄/C）为载体的Ru石墨碳氮化物，一种特殊的碳基材料（例如，g-C₃N₄）可以诱发过渡金属（例如，Ru）的异常晶体结构，在10 mA cm^-2下过电势为79 mV。目前报道的Ru基催化剂虽然具有电催化活性，但都不能在较宽的pH范围内保持催化活性。因此，需要对Ru基催化剂电子-声子相互作用进行更精确的裁剪以进一步优化其催化性能。