[发明专利]一种制备RuNC-T复合纳米材料的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种制备RuNC‑T复合纳米材料的方法及其应用，该方法以ZIF‑8为模板，将Ru通过冷冻干燥和热解负载在氮掺杂的碳纳米材料（NC）中，协同构建用于氧还原反应（ORR）和氢气析出反应（HER）的双功能电催化剂。当热裂解温度为1000℃时，得到的双功能催化剂RuNC‑1000的催化性能与Pt/C相媲美，同时可以提高合成的简便性和经济性，方便后期商用，为替代Pt/C催化剂提供了新的方案。该方法合成路线简单，成本低于商用铂碳，可以获得较高的催化效率，RuNC‑1000在电池组装过程中性质稳定，有助于提高电池整体寿命。

技术领域

本发明涉及一种制备RuNC-T复合纳米材料的方法及其应用，属于新能源材料领域。

背景技术

可持续能源的发展和环境问题的日渐突出对开发可再生、无污染的新一代清洁能源的要求越来越迫切。氢被认为是未来替代传统化石燃料的理想清洁替代品之一，燃料电池作为一种非常清洁高效的能源装置，在电动汽车和电源领域引起了广泛的关注，而电催化剂在加速电化学反应，推进燃料电池的商业化进程中起着至关重要的作用。

目前，Pt基材料的起始过电位接近于零，被认为是最具前景的电催化剂。但其高昂的价格、稀缺的储量和平庸的稳定性严重阻碍了其大规模应用。因此，开发类似Pt基的成本低廉且高效稳定的电催化剂仍然是一个巨大的挑战。Ru基催化剂具有丰富的氧化还原化学和多种价态并且其成本低于金属Pt。另一方面，掺杂可以调节电子结构，是提高材料电催化性能的有效策略，N掺杂可以捕获金属原子周围的电子，具有较弱的电负性，影响电子密度或由原子取代引起材料相结构的变化，而Ru-H的键强度接近Pt-H，从而使Ru催化剂可能具有优异的电催化性能。

CN201911146213.4公开了一种钴铁双金属氮化物复合电催化剂及其制备方法。该电催化剂按质量百分比包括：氮化铁20～52％，氮化钴44～26％，余量为碳布。制备方法为：将碳布用浓硝酸回流后清洗，干燥；配制硝酸钴水溶液，将其加入配制好的2-甲基咪唑水溶液中，搅拌混合均匀，然后向所得混合溶液中加入处理过的碳布，室温下反应后清洗干燥，得到ZIF-67/碳布复合材料，将其加入配制好的亚铁氰化钾水溶液中，室温下反应后，清洗干燥，然后煅烧，冷却至室温后，得到氮化铁/氮化钴/碳布复合材料。然而，这种制备方法含有多步反应，制备时间成本高，并且氮化铁/氮化钴/碳布复合材料的催化性能还无法满足商业化需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种制备RuNC-T复合纳米材料的方法及其应用，该方法以ZIF-8为模板，将Ru通过冷冻干燥和热解负载在氮掺杂的碳纳米材料中，协同构建用于氧还原反应（ORR）和氢气析出反应（HER）的双功能电催化剂，性能与Pt/C相媲美，同时可以提高合成的简便性和经济性，方便后期商用，为替代Pt/C催化剂提供了新的替代产品。

一种制备RuNC-T复合纳米材料的方法，包括以下步骤：

步骤1，向玻璃瓶中加入ZIF-8和等质量的混合物A，再加去离子水进行分散，室温下分别搅拌和超声处理30分钟得混合溶液，所述混合物A由D-氨基葡萄糖、氯化锌与氯化钌混合而成；

步骤2，对混合溶液进行冷冻干燥得前驱体；

步骤3，将前驱体在氩气气氛下在管式炉中以2~10℃/min的升温速率加热至700~1100℃进行热裂解，保温2~6小时后冷却至室温，得RuNC-T复合纳米材料，其中T代表热裂解温度。

作为改进的是，所述混合物A中D-氨基葡萄糖、氯化锌与氯化钌的摩尔比为3~8：4~1：3~1。

进一步改进的是，所述混合物A中D-氨基葡萄糖、氯化锌与氯化钌的摩尔比为5:2:1。

作为改进的是，所述步骤3中管式炉的升温速率为2℃/min。

上述RuNC-T复合纳米材料在电催化氧还原反应、氧析出反应、氢气析出反应或金属-空气电池中的应用。

有益效果：