[发明专利]氢氧化镍层包覆单质钌结构析氢催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氢氧化镍层包覆单质钌结构析氢催化剂及其制备方法。包括氢氧化镍和钌，所述钌单质锚定在泡沫镍表面并被氢氧化镍层包覆，通过在氢氧化钠溶液中加入氯化钌水合物和泡沫镍在均相反应器中一步直接水热合成所需的催化剂。氢氧化镍纳米片和单质钌原位生长在泡沫镍表面上，避免了使用额外的粘合剂，确保了良好的导电性和机械稳定性，利用氢氧化镍和钌双功能活性位点之间的协同作用，提升了催化剂在碱性环境下的催化性能，制备的催化剂在1.0M KOH电解质溶液中电流密度为10mA·cmsupgt;‑2/supgt;时,所需的过电位为27.56mV（vs RHE）。

技术领域

本发明涉及电催化领域，具体涉及一种氢氧化镍层包覆单质钌结构析氢催化剂及其制备方法。

背景技术

随着工业化进程步伐的加快，人类对不可再生能源的消耗日益增加，环境污染问题日益突出，可持续性能源的发展得到越来越多的关注。氢气由于具有1）能量密度高2）储量丰富、来源广泛3）绝对清洁无污染等优点而受到人们越来越多的青睐与关注。电解水析氢是一种极具吸引力的方法。高活性、低成本的析氢催化剂的开发与利用是提高水电解效率并降低其成本的关键因素。虽然目前性能最佳的析氢催化剂是铂，它具有几乎为零的起始电位和优异的稳定性，但由于其高成本和低地球丰度限制了其大规模的商业应用。

目前研究者通过合金化、表面修饰、杂化等措施来获得催化性能优异的过渡金属催化剂以代替铂催化剂。例如Ni–Co–P 中空纳米砖材料在1.0M KOH电解质中，电流密度为10 mA·cm^-2时过电位为107 mV（Enlai Hu, et al. Construction of hierarchical Ni–Co–P hollow nanobricks with oriented nanosheets for efficient overall waterspliiting. [J]. Energy Environmental Science, 2018,11,872-880）。NiCo₂O₄@NiO@Ni核壳结构在1.0M KOH电解质中，电流密度为10 mA·cm^-2时过电位为240 mV（Luyu Wang, etal. Highly Effcient Bifunctional Catalyst of NiCo₂O₄@NiO@Ni Core/ShellNanocone Array for Stable Overall Water Splitting. [J]. Advanced ScienceNews, 2017, 34, 1700228）。过渡金属催化剂性能和稳定性仍无法与铂媲美。钌作为铂族元素催化性能优异，价格却是Pt的1/20，因此备受关注。通过将钌与过渡金属结合或者磷化、硫化、合金化等方法降低钌的用量，并提升催化剂的性能。例如氮磷双掺杂碳包封的二磷化钌，在1.0M KOH电解质中，电流密度为10 mA·cm^-2时过电位为52 mV（Zonghua Pu, etal. Pu RuP₂-Based Catalysts with Platinum-like Activity and Higher Durabilityfor the Hydrogen Evolution Reaction at All pH Values. [J]. Angewandte ChemieInternational Edition, 2017, 56, 11559 –11564）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢氧化镍层包覆单质钌结构的析氢催化剂及其制备方法。该催化剂在碱性电解质溶液中析氢过电位低、稳定性好，具有优异的催化性能。

实现本发明目的的技术方案是：一种氢氧化镍层包覆单质钌结构的析氢催化剂，包括氢氧化镍和钌，所述钌单质锚定在泡沫镍表面并被氢氧化镍层包覆。

一种氢氧化镍层包覆单质钌结构的析氢催化剂的制备方法，包括如下步骤：