[发明专利]一种钌量子点负载碳纤维析氢催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钌量子点负载碳纤维析氢催化剂及其制备方法和应用。该催化剂由以下组分组成：单质钌和无定形碳，其中钌含量约为3‑34.2%，碳含量约为65.8‑97%。本发明通过简单液相吸附和高温煅烧制备碳纳米纤维载Ru量子点高效析氢催化剂；与现有技术相比，具有制备方法简单、对环境无污染、成本低以及催化活性高的优点。

技术领域

本发明涉及一种钌量子点负载碳纤维析氢催化剂及其制备方法和在电解水制氢上的应用，属于电催化领域。

背景技术

氢能源作为一种可再生能源，其具有燃烧值高，燃烧产物无污染等优点。在众多的制氢技术中，电解水制氢具有。当前贵金属铂是高效的析氢反应催化剂，然而其资源稀缺、价格昂贵，显著提升电解水制氢的成本。开发高效的催化剂提高HER催化活性势在必行。近年来，碳基纳米复合催化剂具有优异的导电性，金属与碳复合材料做高效的HER催化剂引起了广泛的关注。然而，当前非贵金属与碳复合材料做HER催化剂的催化性能与贵金属Pt相比，还存在很大的差距。

贵金属钌的价格比铂低，但是其具有与铂相似的几何和电子结构，钌基HER催化剂近年来引起了广泛的关注，如Ru负载于N掺杂的石墨烯（J. Mater. Chem .A, 2017, 5,25314），Ru纳米颗粒负载于Co嵌入氮掺杂碳纳米管（Chem. Res.Chinese Universities,2017, 5, 25314），以及N掺杂的石墨烯载Ru-Co纳米合金等（Nature Communication,2017,14969）。尽管当前有很多工作对碳载钌基复合催化剂进行了研究，但存在制备方法和活性位点复杂等问题，不利于商业化生产和活性位点的调控。细菌纤维素作为一种环境友好型的生物纳米材料，其具有相互交联的网络结构、稳定的物理性能，大的比表面积，好的化学稳定性，表面官能团丰富等诸多特点，是理想的碳前期体材料，被广泛应用在吸附、能源存储以及转换领域。结合钌和细菌纤维的特点，本发明制备了一种钌量子点负载于碳纳米纤维的高效析氢催化剂。

发明内容

本发明针对现有碳载金属析氢催化剂存在制备方法负载、成本高以及催化活性差等问题，通过在细菌纤维素上吸附Ru³⁺，后经过碳化制备Ru量子点负载于碳纳米纤维的高效析氢催化剂。本发明具有制备方法简单、无污染以及可规模化生产等特点。

本发明提供的一种钌量子点负载碳纤维析氢催化剂，该催化剂由以下组分组成：单质钌和无定形碳，其中钌含量约为3-34.2%，碳含量约为65.8-97%。

本发明提供了上述钌量子点负载碳纤维析氢催化剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）为了去除细菌纤维素中的醋酸，细菌纤维膜在离子水中浸泡1-3天，每隔12 h更换一次去离子水，之后进行冷冻干燥（真空度小于10 Pa，冷阱温度为-70到-60 ℃），干燥后的细菌纤维素膜保存备用；

（2）称取步骤（1）所得的200 mg细菌纤维素膜，将其裁剪成3 mm×20 mm×20 mm，后浸泡到50 mL、0.5-2.5 mg mL^-1的RuCl₃溶液中，15-24 h后将上述RuCl₃@BC 膜取出，用离子水反复清洗后，进行冷冻干燥；

（3）将步骤（2）干燥后的样品在保护气氛下进行煅烧处理，升温速率为3-10 ℃/min，保温时间60-180 min，保温温度600-1000 ℃，最终得到Ru量子点负载碳纳米纤维的催化剂，即Ru@CNF。所述保护气氛为氮气或氩气。

直接碳化细菌纤维素得到的样品命名为CNF。