[发明专利]一种碳化硼负载钌的电催化析氘材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电催化材料领域，公开了一种碳化硼负载钌的电催化析氘材料及其制备方法和应用。该材料主要是一种负载Ru纳米团簇的碳化硼析氘电催化剂。具体是通过湿化学浸渍法将Ru前驱体负载于碳化硼上，最后通过H₂还原法制备得到了该析氘电催化剂。本发明优点在于使用了耐化学腐蚀、耐高温氧化且硬度高的碳化硼载体，通过利用钌和碳化硼之间的协同作用来提升催化剂对水解离的能力。本发明的催化剂在碱性条件下性能优于商业Pt/C，并且可在大电流密度下保持长时间稳定性，生产成本仅为商业Pt/C催化剂的10％，经济适用性强，制备简单，适合产业的大规模应用。

技术领域

本发明属于电催化材料领域，具体涉及一种碳化硼负载钌的电催化析氘材料及其制备方法和应用。

背景技术

氘又称重氢，符号D或²H，氢的一种同位素。氢气中含氘0.02%。氘的大部分理化性质类似氢，常温下，氘是一种无色、无味、无毒无害的可燃性气体。它用于核能、可控核聚变反应、氘化光导纤维、氘润滑油、激光器、灯泡、实验研究、半导体材料韧化处理以及核医学，核农业等方面；另外在军事上，它也有一些重要的用途，比如制造氢弹，中子弹和东风激光武器。

氘的主要制备方法有液氢精馏法、电解重水法、钯/合金薄膜或金属氢化物法等。其中电解重水法主要是通过电解设备以过电位较低的催化剂为阴极、以氘水为电解液、以碱金属的氘氧化物为电解质进行电解制氘。因其方法简单高效且对设备要求低，且制备的氘气纯度高从而备受关注。

电解重水阴极催化剂的过电位和材料稳定性一直是研究的重点，在过电位方面，贵金属铂(Pt)因其较低的过电位被认为是最佳的电解水材料，但是Pt催化剂的稀缺性和昂贵的价格限制了Pt的广泛应用，因此亟待开发一种用于代替Pt的催化剂。其中钌(Ru)是一种便宜得多的贵金属，其成本仅为Pt的六分之一左右，同时Ru与氘的键能强度也与Pt相差不多。因此，探索具有低过电位的钌基催化剂是十分重要的。

在材料稳定性方面，部分催化剂的载体因本身的性质所影响，并不能在酸性或碱性的电解液中长时间通电运行工作，否则会导致材料溶解或者活性组分脱离等原因从而使催化剂丧失催化活性。在本发明中使用了具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的碳化硼材料，碳化硼与酸、碱溶液不起反应，具有高化学位、中子吸收、耐磨及半导体导电性。是对酸最稳定的物质之一，在所有浓或稀的酸或碱水溶液中都稳定，碳化硼在空气环境下中800 ℃以下是基本稳定的。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种碳化硼负载钌的电催化析氘材料及其制备方法和应用，本发明的碳化硼负载钌纳米团簇的催化剂具有优越的析氘反应效果和较好的稳定性，具有优异的工业电化学制氘应用前景。

本发明提供的技术方案如下：

一种碳化硼负载钌的电催化析氘材料的制备方法，包括具体如下步骤：

1）称取一定量的钌盐作为Ru前驱体、一定量的碳化硼作为载体于烧杯中，再向烧杯中加入一定量的无水乙醇，置于超声池中超声处理，使乙醇溶液中的钌盐充分溶解、碳化硼分散均匀，超声结束后再加入磁子将烧杯置于油浴锅中一定温度下搅拌；

2）待1）步骤中的乙醇在搅拌处理下挥发完全，再将烧杯中已经搅干的负载了钌盐的碳化硼粉末用药刮取出，再使用烘箱进行进一步的干燥；

3）待2）步骤干燥反应完成，通过H₂还原法将碳化硼上的Ru³⁺还原为金属Ru单质，具体工艺如下：将待还原的碳化硼粉末转移至坩埚中，然后将坩埚置于管式炉中，在250℃~450 ℃的温度下在H₂气氛中，通过H₂和Ru³⁺发生还原反应，将RuCl₃还原为单质Ru。待其煅烧结束自然降温后取出，从而得到所述的碳化硼负载钌的电催化析氘材料。

进一步的，1）步骤中无水乙醇的添加量与碳化硼的质量比为100:1；钌盐与碳化硼的质量比为1~10:100。