本发明专利技术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%。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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.ChineseUniversities,2017,5,25314），以及N掺杂的石墨烯载Ru-Co纳米合金等（NatureCommunication,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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术具有制备方法简单、无污染以及可规模化生产等特点。本专利技术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%。本专利技术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12h更换一次去离子水，之后进行冷冻干燥（真空度小于10Pa，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200mg细菌纤维素膜，将其裁剪成3mm×20mm×20mm，后浸泡到50mL、0.5-2.5mgmL-1的RuCl3溶液中，15-24h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60-180min，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。本专利技术提供了上述钌量子点负载碳纤维析氢催化剂在电解水制氢上的应用，电解液为1MKOH，三电极体系测试，Hg/HgO作参比电极，石墨棒作对电极，直径为3mm的玻碳电极负载催化剂作工作电极。其中工作电极的制备如下：取4mg催化剂分散于700μL去离子水，250μL乙醇以及50μL全氟磺酸混合溶液中，超声分散30min，形成墨汁。取5μL墨汁滴在打磨、抛光、清洗干净的玻碳电极上，在红外烤灯下烘干备用，催化剂的负载量约为0.28mg/cm2。在辰华760E电化学工作站上进行性能测试。本专利技术的有益效果：本专利技术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。附图说明图1为本专利技术制备Ru@CNF催化剂的示意图。图2为实施例1制备的Ru@CNF的结构表征图，（a）Ru@CNF在低倍下的扫描电镜图，（b）Ru@CNF在高倍下的扫描电镜图，（c）Ru@CNF在低倍下的透射电镜图，（d）Ru@CNF上Ru纳米颗粒粒径统计图，（e）Ru@CNF的高分辨透射图，（f）Ru@CNF暗场下透射图，（g）-（j）Ru@CNF的STEM图及对应的能谱图。图3为实施例1制备的Ru@CNF的结构表征图，（a）Ru@CNF和CNF的XRD曲线，（b）Ru@CNF和CNF的拉曼图谱，（c）Ru@CNF的氮气吸脱附曲线，插图为孔径分布曲线图，（d）Ru@CNF的XPS全谱图，（e）C1s+Ru3d高分辨窄谱图，（f）R3p的高分辨窄谱图。图4是实施例1制备的Ru@CNF在空气中煅烧的热重曲线。图5为实施例l制备的Ru@CNF、CNF以及商品Pt/C在1MKOH电解液中的LSV曲线。图6为由图5得到的Ru@CNF、CNF以及商品Pt/C的塔菲尔曲线图。图7为实施例1制备的Ru@CNF在加入10mMKSCN前后的LSV曲线图。图8为实施例1制备的Ru@CNF和商品Pt/C的稳定性测试曲线图。图9为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的Ru@CNF、Ru@CNF-600、Ru@CNF-800以及Ru@CNF-900对应的LSV曲线。图10为实施例5制备的Ru@CNF-700-1的LSV曲线。图11为实施例6制备的Ru@CNF-700-2的LSV曲线。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本专利技术，但不局限于以下实施例。实施例1称取200mg的干燥的细菌纤维素膜，将其裁剪成3mm×20mm×20mm，后浸泡到50mL、2.5mgmL-1的RuCl3溶液中，15h后将上述RuCl3@BC膜取出，用离子水反复清洗后，进行冷冻干燥；将干燥后的吸附有Ru3+的细菌纤维素膜在氮气气氛保护下高温碳化，升温速率为5℃/min，保温时间120min，保温温度为700℃，最后自然冷却到室温得到的样品命名为Ru@CNF。实施例2称取200mg的干燥的细菌纤维素膜，将其裁剪成3mm×20mm×20mm，后浸泡到50mL、2.5mgmL-1的RuCl3溶液中，15h后将上述RuCl3@BC膜取出，用离子水反复清洗后，进行冷冻干燥；将干燥后的吸附有Ru3+的细菌纤维素膜在氮气气氛保护下高温碳化，升温速率为5℃/min，保温时间120min，保温温度为600℃，最后自然冷却到室温得到的样品命名为Ru@CNF-600。实施例3称取200mg的干燥的细菌纤维素膜，将其裁剪成3mm×20mm×20mm，后浸泡到50mL、2.5mgmL-1的RuCl3溶液中，15h后将上述RuCl3@BC膜取出，用离子水反复清洗后，进行冷冻干燥；将干燥后的吸附有Ru3+的细菌纤维素膜在氮气气氛保护下高温碳化，升温速率为5℃/min，保温时间120min，保温温度为800℃，最后自然冷本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种钌量子点负载碳纤维析氢催化剂，其特征在于：该催化剂由以下组分组成：单质钌和无定形碳，其中钌含量为3-34.2%，碳含量为65.8-97%。/n
【技术特征摘要】
1.一种钌量子点负载碳纤维析氢催化剂，其特征在于：该催化剂由以下组分组成：单质钌和无定形碳，其中钌含量为3-34.2%，碳含量为65.8-97%。
2.一种权利要求1所述的钌量子点负载碳纤维析氢催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（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12h更换一次去离子水，之后进行冷冻干燥，干燥后的细菌纤维素膜保存备用；
（2）称取步骤（1）所得的200mg细菌纤维素膜，将其裁剪成3mm×20mm×20mm，后浸泡到50mL、0.5-2.5mgmL-1的RuCl3溶液中，15-24h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60-180min，保温温度600-1000℃，最终得到Ru量子点负载碳纳米...
【专利技术属性】
技术研发人员：石青，刘汉涛，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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