[发明专利]一种碳基复合电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明属于电催化剂领域，具体涉及一种高性能电化学分解水产氢的碳基复合催化剂的制备方法与应用。通过络合、煅烧、酸洗过程合成的氮掺杂碳(NC)，以其为基底材料，乙二醇为还原剂，在回流条件下得到Ru/NC电催化剂。该电催化剂材料具有较低的电荷转移电阻和析氢反应的反应势垒，在电催化析氢反应中具有优越的性能。同时，Ru在Pt系贵金属材料中价格最为低廉该催化剂成本低廉，实验操作简便，工艺简单，催化性能优越，为该类材料在电催化领域提供了基础应用研究。

技术领域

本发明属于电催化领域，具体涉及一种高性能电化学分解水制氢的碳基复合电催化剂及其制备方法与应用。

技术背景

随着化石燃料的不断消耗，为了满足当今巨大的能源需求，各种新能源产出计划受到广泛关注。氢能作为一种没有任何污染的清洁能源，有望成为化石燃料的最有效替代品。电化学分解水制氢(hydrogen evolution reaction，HER)以其高效率、环境友好、产氢纯度高以及能量波动适应性强等优点，在化学储能技术的发展中极具应用前景。

Pt基催化剂仍是目前最高效的HER催化剂，但其稀缺性以及高成本使他们不能广泛应用于工业生产应用中。因此，多种非铂金属催化剂已被报道，主要包括过渡金属氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硒化物、磷化物和氢氧化物。但是这些催化剂面临稳定性差，容易失活等缺点，同样不适用于工业上的实际应用。因此，现急需开发一种高效、高寿命、低成本的电催化剂。在Pt系贵金属中，钌(Ru)的价格最为低廉，将钌和碳的复合物作为电解水制氢的催化剂，具有价格适中、产氢效率高、循环稳定好等优点。将氮掺杂到碳基材料中，可以提高碳基材料的给电子性能，有利于钌颗粒的分散，易暴露出更多的活性位点。

国内外学者已经在这方面开展了一些卓有成效的工作。例如，Su等人，成功合成了RuCo@NC HER催化剂，当电流密度为10mA cm^-2和100mA cm^-2时，过电位分别为28mV和218mV，且经过10000次CV稳定性测试后，其过电位仅增加4mV(Su J,Yang Y,Xia G,etal.Ruthenium-cobalt nanoalloys encapsulated in nitrogen-doped graphene asactiveelectrocatalysts for producing hydrogen in alkaline media[J].Naturecommunications,2017,8:14969.)。Sun等人，成功合成Ru@C₄N催化剂,该催化剂具有优秀的酸性及碱性HER电催化活性。在酸性条件中，电流密度为10mA cm^-2时过电位仅为6mV，以及碱性条件下电流密度为10mA cm^-2时过电位仅为7mV(Sun S W,Wang G F,Zhou Y,et al.High-Performance Ru@C4N Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction in BothAcidic and Alkaline Solutions[J].ACS applied materials&interfaces,2019.)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能电化学分解水产氢的Ru/NC电催化剂。该发明制备的催化剂可以大大降低过电势和Tafel斜率，并且具有良好的导电性，可大幅度提高Ru基催化剂分解水催化制氢效率。另以NC为基底原位合成的Ru/NC，可以减小电极内阻，提高其导电能力，并可显著提高材料的催化活性。同时，使用廉价易得的氮掺杂碳(NC)作为催化剂的基底材料可以大大降低催化剂成本。因此，以NC为基底材料、原位合成的Ru/NC电催化剂应用于电解水制氢领域，具有较好的应用前景。

本发明技术方案如下：

(1)制备氮掺杂碳(NC)：