[发明专利]一种PHF-Ru@C-N电催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种PHF‑Ru@C‑N电催化剂及其制备方法，其制备方法为：先将富勒烯表面进行羟基化改性，然后运用水热法将钌原子锚定在多羟基富勒烯表面，同时通过热处理获得高效的PHF‑Ru@C‑N电催化剂。本发明还提供一种由上述方法制备的PHF‑Ru@C‑N电催化剂，所述PHF‑Ru@C‑N电催化剂为纳米颗粒结构。本发明通过对富勒烯表面进行羟基化改性，然后与金属Ru离子配位络合，通过配位键搭造了一个可促进碳笼表面电荷转移的桥梁，使得制备出的电催化剂析氢性能较好，在10电流密度的过电位可以达到32mV。

技术领域

本发明涉及电催化剂，具体涉及一种PHF-Ru@C-N电催化剂及其制备方法。

背景技术

随着不可再生能源的枯竭和环境污染的日益严重,人类社会迫切需要一种绿色清洁、可持续的能源替代现有的化石燃料。氢气因为零污染、可循环制取和高燃烧量等优点而受到国际社会的广泛关注。在众多制氢方法中,电解水制氢法(Hydrogen evolutionreaction,HER)具有设备简单、可持续和环保等优势。而在电解水制氢中，现用商业阴极催化剂析氢金属催化剂普遍是Pt和Pt基材料,但是其稀缺性，稳定性还有昂贵的价格限制了大规模应用。因此,寻找并开发一种价格便宜、资源丰富、催化性能好且稳定性高的金属催化剂成为了研究热点。

钌(Ru)作为铂族金属中的一种，广泛应用于化工、电子工业、航空航天、计算机技术等领域。目前，在电催化材料方面，钌基催化剂发展迅速,其具有特殊的电子结构，有成对的d轨道电子以及空或半充满的d轨道,可以产生协同效应,有利于电子传输,促进H⁺的吸附和脱附，从而极大提高了电催化活性,并有望以其较为低廉的价格替代Pt基材料。

作为碳材料的一种，富勒烯C₆₀具有独特的笼状三维结构及较强的吸电子特性等特点，使其在各个领域应用广，但作为电解水催化剂载体的研究较少，其主要原因是富勒烯生物电导率较低，电子传输性能差，限制了其在电催化领域的应用。然而其具有的强电子耦合效应，能加速复合材料界面电子传输效率；并且富勒烯多变的衍生结构，使其衍生物具有很高的性能调控方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种析氢催化性能良好的PHF-Ru@C-N电催化剂及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种PHF-Ru@C-N电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)多羟基富勒烯的制备

将200-400mg富勒烯溶于400-600ml甲苯中，然后先后向其中加入20-40ml浓度为40％wt的过氧化氢水溶液和5-10ml浓度为50％wt的四丁基氢氧化铵水溶液，于60-65℃搅拌反应8-16h，反应结束待其冷却至室温后，分液，取下层水溶液依次过滤、离心去除固体杂质后，再旋转蒸发去除溶剂，然后真空干燥得到多羟基富勒烯；

2)PHF-Ru@C-N前驱体的制备

称取质量比为1：(2-4)：(10-15)的三氯化钌、多羟基富勒烯和三聚氰胺，先后将其加入去离子水中，搅拌均匀得原料混合液，然后将原料混合液转入水热釜中，于180-190℃水热反应12-14h，反应结束待其冷却至室温后，离心、抽滤、真空干燥，得到PHF-Ru@C-N前驱体；

3)将PHF-Ru@C-N前驱体置于管式炉中，在氢氩混合气体保护下以2-5℃/min的升温速率，由室温升至500-700℃，并保温1-2h，保温结束待其自然冷却至室温得到PHF-Ru@C-N电催化剂。

进一步地，所述步骤2)原料混合液中，三氯化钌、多羟基富勒烯和三聚氰胺的总质量与去离子水的质量比为(13-20):(30-50)。

本发明还提供一种PHF-Ru@C-N电催化剂，所述PHF-Ru@C-N电催化剂为纳米颗粒结构。