一种氮碳负载钴钌纳米粒子全解水电催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮碳负载钴钌纳米粒子全解水电催化材料及其制备方法，通过溶剂热法合成CoRu

【技术实现步骤摘要】
一种氮碳负载钴钌纳米粒子全解水电催化材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于电催化全解水的
，具体涉及一种氮碳负载钴钌纳米粒子全解水电催化材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前应用最广泛的能源物质石油、煤和天然气等不可再生的化石能源，这些化石能源的大量消耗引起了一些环境问题，能源危机也随之到来，为应对这些危机与问题，急需寻找一种可再生清洁能源。
[0003]氢气能量密度大，来源广泛且对环境友好，是一种理想的可再生清洁能源。目前工业制氢技术中，化石燃料制氢、工业副产物制氢以及甲醇重整制氢，虽然工艺较成熟，但是制氢原料不可再生，且制氢过程产生的副产物对环境不友好，而电解水制氢技术，制氢原料为可再生的水，制氢纯度高，制氢过程无污染，并且所用电能来源广泛，潮汐能、地热能、水的势能等可再生能源转化的电能均可用于发电，所以电解水制氢技术是一项具有巨大应用前景的制氢技术，但是电解水过程中的析氢析氧反应缓慢的动力学限制了其电解速率，所以需要使用电催化剂来提高反应动力学从而提高电解水速率。
[0004]目前商用的电催化剂主要为贵金属铂、铱、钌及其氧化物，虽然其具有卓越的电催化活性，但是其低储量和高昂的价格限制了其大规模应用。开发低成本高活性的电催化剂成为当下研究热点。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种氮碳负载钴钌纳米粒子全解水电催化材料及其制备方法，该方法制备的CoRu/NC电催化剂具有极低的电解水过电位，具备高效的活性和良好的稳定性，并且合成方法简单，条件温和，与商用贵金属电催化剂相比具有低成本优势，表现出突出的工业化应用优势。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种氮碳负载钴钌纳米粒子全解水电催化材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]1)首先称取分析纯的钴源、钌源和2
‑
甲基咪唑溶于40～80ml的甲醇中搅拌至溶解形成钴离子浓度为0.05～0.5mol/L，钌离子浓度为0.005～0.25mol/L和2
‑
甲基咪唑浓度为0.1～2mol/L的溶液A；
[0009]2)在A溶液中加入1～3g十六烷基三甲基溴化铵并用保鲜膜密封后移入水热釜，在120～200℃下溶剂热6～18h，水热釜冷却至室温后抽滤并洗涤、冷冻干燥，合成的蓬松的深紫色粉末为CoRu
‑
ZIF
‑
67前驱体；
[0010]3)取200～500mg的CoRu
‑
ZIF
‑
67粉体铺在刚玉瓷舟中置于充满氢氩气气氛的管式炉中，以2～5℃/min的升温速率，自室温升温至600～900℃，保温1～3h，以10℃/min的降温速率降至300℃，然后自然降温至室温，生成的黑色粉体为氮掺杂碳负载的钴钌纳米颗粒(CoRu/NC)。
[0011]本专利技术还具有以下技术特征：
[0012]优选的，所述的钴源为硝酸钴、氯化钴或乙酰丙酮钴；
[0013]所述的钌源为乙酰丙酮钌、十二羰基三钌或二茂钌。
[0014]优选的，所述步骤1)中的搅拌为在30～50℃温度下磁力搅拌。
[0015]优选的，所述步骤2)中搅拌为在40～60℃温度下磁力搅拌30～60min。
[0016]优选的，所述步骤2)中洗涤为用无水乙醇和去离子水各洗涤2～4遍。
[0017]优选的，所述步骤2)中冷冻干燥为在
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30～
‑
40℃温度下冷冻干燥24～48h。
[0018]本专利技术还保护一种如上所述的制备方法制备的氮碳负载钴钌纳米粒子全解水电催化材料，微观形貌为规则的十二面体，棱角分明，表面粗糙，面微向内凹陷。
[0019]本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0020]本专利技术制备的CoRu/NC材料，采用溶剂热法合成的CoRu
‑
ZIF
‑
67前躯体具备尺寸均一，形貌可调控等优点，在氢氩气保护气氛中对前驱体进行热解生成CoRu/NC电催化剂，该制备方法条件温和，工艺可靠，实现工业化生产的可行性高；
[0021]本专利技术所提出的制备方法合成的CoRu/NC，CoRu纳米粒子的协同增强作用提高了电催化全解水的活性，降低了反应过电位，表现出高的全解水效率，氮掺杂的多孔碳基底具有较强的电子传输能力，有利于水分子的吸附，促进了电解水反应进行，表现出高效的活性，并且碳的包覆为活性中心提供了一定的保护，增强了电解水过程中催化剂的结构稳定性；
[0022]本专利技术所提出的制备方法合成的CoRu/NC，在实现低负载贵金属钌的同时，表现出低于商业贵金属催化剂铂和氧化铱全解水的过电位，成本对比纯贵金属电催化剂有大幅度降低，具有很好的应用前景和极大的商业化潜力。
附图说明
[0023]图1为实施例1制备的CoRu/NC的X射线衍射图；
[0024]图2为实施例1制备的CoRu/NC的SEM图；
[0025]图3为实施例1制备的CoRu/NC的全解水LSV图。
具体实施方式
[0026]以下结合实施例对本专利技术的具体内容做进一步详细解释说明。
[0027]实施例1：
[0028]1)首先，称取0.582g分析纯的Co(NO3)2·
6H2O、0.07968g分析纯的C
15
H
21
O6Ru和0.3284g C4H6N2溶于40ml的甲醇中在30℃磁力搅拌形成溶液A；
[0029]2)在A溶液中加入1g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)并用保鲜膜密封在40℃磁力搅拌60min后移入水热釜，在120℃下溶剂热18h，水热釜冷却至室温后抽滤并用无水乙醇和去离子水各洗涤2遍后在
‑
30℃冷冻干燥24h合成的蓬松的深紫色粉末为CoRu
‑
ZIF
‑
67前驱体；
[0030]3)取200mg的CoRu
‑
ZIF
‑
67粉体铺在刚玉瓷舟中置于充满氢氩气气氛的管式炉中，以2℃/min的升温速率，自室温升温至600℃保温3h，以10℃/min的降温速率降至300℃然后自然降温至室温，生成的黑色粉体为氮掺杂碳负载的钴钌纳米颗粒(CoRu/NC)。
[0031]实施例2:
[0032]1)首先，称取3.492g分析纯的Co(NO3)2·
6H2O、3.586g分析纯的C
15
H
21
O6Ru和4.105g C4H6N2溶于60ml的甲醇中在40℃磁力搅拌形成溶液A；
[0033]2)在A溶液中加入1.5g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)并用保鲜膜密封在50℃磁力搅拌40min后移入水热釜，在160℃下溶剂热12h，水热釜冷却至室温后抽滤并用无水乙醇和去离子水各洗涤3遍后在
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮碳负载钴钌纳米粒子全解水电催化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)首先称取分析纯的钴源、钌源和2
‑
甲基咪唑溶于40～80ml的甲醇中搅拌至溶解形成钴离子浓度为0.05～0.5mol/L，钌离子浓度为0.005～0.25mol/L和2
‑
甲基咪唑浓度为0.1～2mol/L的溶液A；2)在A溶液中加入1～3g十六烷基三甲基溴化铵并用保鲜膜密封后移入水热釜，在120～200℃下溶剂热6～18h，水热釜冷却至室温后抽滤并洗涤、冷冻干燥，合成的蓬松的深紫色粉末为CoRu
‑
ZIF
‑
67前驱体；3)取200～500mg的CoRu
‑
ZIF
‑
67粉体铺在刚玉瓷舟中置于充满氢氩气气氛的管式炉中，以2～5℃/min的升温速率，自室温升温至600～900℃，保温1～3h，以10℃/min的降温速率降至300℃，然后自然降温至室温，生成的黑色粉体为氮掺杂碳负载的钴钌纳米颗粒。2.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑锋，陈俊生，冯永强，曹丽云，冯伟航，王海，胡郁竹，雒甜蜜，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：