[发明专利]新型钌基自支撑电催化材料及其制备方法和在电催化氮气还原产氨中的应用

说明书

本发明涉及新型钌基自支撑电催化材料及其制备方法和在电催化氮气还原产氨中的应用。将氧化石墨烯与RuCl₃溶液超声混合，再加入适量还原剂和联结剂，所得混合液放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，120℃下高温反应14h，冷却，所得产物用乙醇和水混合液洗涤，自然干燥，得新型钌基自支撑电催化材料Ru@GA。本发明得到了一种结构稳定、导电性能良好和具有自支撑性的高效氮气还原产氨电催化材料。制备方法简单、无需冷冻干燥、重复性好，所得Ru纳米粒子粒径均在2‑4nm左右，有利于催化性能的提高，在电催化氮气还原产氨等领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于催化剂材料领域，尤其涉及一种对氮气还原产氨具有较高催化性能的新型钌基自支撑电催化材料的制备及其在电催化氮气还原产氨反应中的应用。

背景技术

氨(NH₃)是当今社会最重要的化工原料之一。容易液化储存和运输，是理想的氢载体，是人类社会可持续发展的重要能源物质。目前，全球对于氨气的需求越来越高。氨的工业生产主要是传统的Haber-Bosch法，需要高温(450-500℃)、高压(150-350atm)，条件苛刻、污染大，能耗大(该法生产过程中消耗的能量约占世界年能量消耗的1％)。近年来，电催化氮气还原反应(ENRR)合成氨成为最具发展前景的绿色可持续的制氨方法之一，该法是在常温、常压下，以氮气和水为原料，在电能的驱动下将氮气还原为氨气的过程。因此，开发一种高效的电催化氮气还原产氨催化剂是加快电催化氮气还原产氨实现工业化的关键。研究发现，钌基催化剂对于电催化氮气还原产氨反应有较高的催化活性，但钌金属珍贵稀少，利用率差，从而极大的限制了该材料的使用。石墨烯气凝胶是一种具有多孔结构的三维自支撑材料，导电性能好、比表面积大、具有良好的传质性能，可以有效提高金属的催化性能。因此将钌纳米粒子固载到石墨烯气凝胶表面，开发一种制备方法简单、重复性好、催化效率高的钌基电催化剂材料，将极大促进电催化产氨技术的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备方法简单、重复性好、催化效率高的新型的钌基自支撑电催化材料的制备方法。

本发明采用的技术方案是：新型钌基自支撑电催化材料，所述新型钌基自支撑电催化材料是于碳材料基底上通过水热法负载Ru纳米粒子得到。

进一步的，上述的新型钌基自支持电催化材料，所述碳材料基底是还原氧化石墨烯气凝胶GA。

一种新型钌基自支撑电催化材料的制备方法，方法如下：将氧化石墨烯与RuCl₃溶液超声混合，再加入适量还原剂和联结剂，所得混合液放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，120℃下高温反应14h，冷却，所得产物用乙醇和水混合液洗涤，自然干燥，得新型钌基自支撑电催化材料Ru@GA。

进一步的，上述的制备方法，所述还原剂是乙二胺。

进一步的，上述的制备方法，所述联结剂是硼酸钠。

进一步的，上述的制备方法，所述氧化石墨烯的制备方法为：0℃下，在浓硫酸中依次加入高纯石墨粉和硝酸钠，搅拌均匀，然后分批少量加入高锰酸钾并保持温度在20℃以下，1h左右加完，待混合物颜色由紫色变成草绿色后，35℃下反应约40min，待混合物变成棕色糊状，停止加热，常温静置72h，所得产物缓慢注入70℃热水中，逐滴加入30％的过氧化氢并搅拌直至混合液变为亮黄色，趁热离心、用60℃蒸馏水洗涤，用5wt％的碳酸钠溶液中和多余的酸至中性，离心、洗涤至上清液无硫酸根离子，60℃干燥得氧化石墨烯。

本发明还提供，上述的新型钌基自支撑电催化材料在电催化氮气还原产氨中的应用。