一种钌负载掺氮多孔碳析氢电催化剂的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钌负载掺氮多孔碳析氢电催化剂的制备方法，取可溶性淀粉、柠檬酸三铵和碳酸氢钠混合并充分搅拌，在氮气气氛下，700℃～900℃高温炭化，产物加入去离子搅拌，过滤并水洗滤渣至pH＝6～8，干燥，得到NHPC；NHPC和RuCl3·

【技术实现步骤摘要】
一种钌负载掺氮多孔碳析氢电催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于电催化析氢
，尤其涉及一种Ru/NHPC钌负载掺氮多孔碳析氢电催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]氢能作为一种新型能源，具有原料丰富、能量密度高、应用范围广等特点。水的电解制氢是实现工业化廉价制备氢气的重要手段，而在电解制备过程中缓慢的HER动力学能垒往往需要高效的催化剂来降低化学反应能耗。常见的析氢催化剂中，Pt/C催化剂有着极高的催化活性，但由于其在地壳中的丰度很低，资源稀缺，价格昂贵，从而限制其大规模使用。因此，寻找价格低廉且催化性能良好的HER催化剂成为近年来研究的热点。
[0003]Ru与氢的结合能约为65kcal/mol，且与Pt相近，同时，Ru具有强大的防腐能力，可用于各种常用的电解质中，是一种极具应用前景的HER催化剂。优异的HER催化剂往往具有较低的析氢过电位和塔菲尔斜率，并且具有良好的长期稳定性。虽然贵金属Pt、Ru、Ir等拥有丰富的催化活性位点，但由于其溶解速率较高，可能导致稳定性差，并且在较长时间的催化过程中发生奥斯瓦尔德熟化、团聚以及催化剂脱落等问题而使催化剂的稳定性变差。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种钌负载掺氮多孔碳析氢电催化剂的制备方法，制备的Ru/NHPC催化剂避免了传统的高温烧结，并获得了优异的电化学析氢性能和稳定性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种钌负载掺氮多孔碳析氢电催化剂的制备方法，包括：
[0007]1)NHPC的制备
[0008]取可溶性淀粉、柠檬酸三铵和碳酸氢钠混合并充分搅拌，将搅拌后的混合物转移至管式炉中，在氮气气氛下，以5～15℃/min的升温速率升温，在700℃～900℃高温炭化1～2h，将炭化后的产物加入去离子水室温下搅拌1～4h，过滤并水洗滤渣至pH＝6～8，在70～90℃温度下干燥；
[0009]2)Ru/NHPC催化剂材料的制备
[0010]取步骤1)制得的NHPC掺氮多孔碳和RuCl3·
3H2O溶于去离子水，在超声的氛围下超声分散；配置2mg/ml的NaBH4溶液，将NaBH4溶液缓慢的滴加到超声氛围中的混合液中；滴加完成后，将混合液在超声氛围中持续反应20～60min；最后，分别用去离子水和无水乙醇洗涤反应物各3次，70～90℃下干燥后得到最终产物Ru/NHPC催化剂材料。
[0011]所述的可溶性淀粉为1～3g；柠檬酸三铵为2～8g；碳酸氢钠为2～8g。
[0012]步骤2)所述的NHPC掺氮多孔碳为0.05～0.2g；RuCl3·
3H2O为0.01～0.1g；NaBH4溶液为0.01～0.1g。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0014]本专利技术工艺简单，通过发泡法制备掺氮多孔碳材料，再通过超声辅助沉淀法将Ru均匀的分散在掺氮的多孔碳上，制备了高性能的Ru/NHPC催化剂。该催化剂孔径由几纳米到几百纳米不等，且呈现随机无序状态分布。经BET的测试评价发现该掺氮多孔碳材料具有非常大的比表面积(m2/g)。大的比表面积有利于暴露更多的活性位点，提高催化性能；多孔碳丰富的孔道结构不仅有利于反应中气体和反应物的快速扩散，还有利于电解液对催化剂的浸润，缩短电子和电荷的输运距离，提高反应速率和催化稳定性；N原子的引入进一步调节复合材料的电子结构，使Ru基催化剂表现出优异的性能。这些特点使催化剂不仅具有较低的析氢过电位，而且拥有良好的稳定性，并且在碱性环境下表现出优异的电催化析氢性能和稳定性。拓展了电催化制氢
的应用，即符合社会发展的需要，又具有良好的经济效益。
[0015]本技术采用廉价的生物质可溶性淀粉为碳源，柠檬酸三铵为发泡剂和氮源，碳酸氢钠为发泡剂制备出具有大比表面积的掺氮多孔碳。在高温加热过程中通过碳酸氢钠分解产生的二氧化碳和柠檬酸三铵分解产生的氨气对和可溶性淀粉进行发泡造孔，同时产生的氨气进一步沉积在炭化材料表面对多孔炭材料进行氮元素的掺杂。制备出的大比表面积掺氮多孔碳，一方面降低了制备成本，另一方面丰富的孔道结构更有利于活性位点均匀的分散。以RuCl3·
3H2O为Ru源，NaBH4为还原剂，通过超声辅助沉淀法制备的Ru/NHPC催化剂材料。此方法避免了传统的高温烧结，并获得了优异的电化学析氢性能和稳定性，为其它电催化析氢材料的制备提出了一定的借鉴意义和想法。
附图说明
[0016]图1是三电极测试体系组装、流程图。
[0017]图2是掺氮多孔碳(NHPC)的XRD图。
[0018]图3是钌负载掺氮多孔碳(Ru/NHPC)的XRD图。
[0019]图4是掺氮多孔碳(NHPC)的SEM图。
[0020]图5是掺氮多孔碳(NHPC)的EDS图。
[0021]图6是钌负载掺氮多孔碳(Ru/NHPC)的SEM图。
[0022]图7是钌负载掺氮多孔碳(Ru/NHPC)的EDS图。
[0023]图8是钌负载掺氮多孔碳(Ru/NHPC)的LSV曲线图。
[0024]图9是钌负载掺氮多孔碳(Ru/NHPC)的Tafel曲线图。
[0025]图10是钌负载掺氮多孔碳(Ru/NHPC)的稳定性测试图。
具体实施方式
[0026]下面结合说明书附图对本专利技术进行详细地描述，但是应该指出本专利技术的实施不限于以下的实施方式。
[0027]实施例1
[0028]取2g可溶性淀粉，6g柠檬酸铵，6g碳酸氢钠倒入烧杯中，搅拌使其均匀的混合在一起。然后将混合物转移至管式炉中，在N2的氛围下，以10℃/min的升温速率将混合物直接加热到800℃，并在800℃下保温1h。将冷却好的材料转移至烧杯中，加入500ml去离子水并在室温下充分搅拌2h。最后，抽滤并用去离子水洗涤滤饼至中性，在80℃烘箱中干燥12h，得到
最终的NHPC产物。
[0029]取0.05gRuCl3·
3H2O和0.1g步骤1制备的NHPC放入烧杯中，加入50ml去离子水，并将混合物超声分散10min。将25ml浓度为2mg/ml的NaBH4溶液缓慢滴入混合液中。滴加完成后，继续超声30min。抽滤并用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，在80℃烘箱中干燥12h，将催化剂材料Ru/NHPC命名为Ru/NHPC
‑
0.05。
[0030]实施例2
[0031]取2g可溶性淀粉，3g柠檬酸铵，3g碳酸氢钠倒入烧杯中，搅拌使其均匀的混合在一起。然后将混合物转移至管式炉中，在N2的氛围下，以10℃/min的升温速率将混合物直接加热到800℃，并在800℃下保温1h。将冷却好的材料转移至烧杯中，加入500ml去离子水并在室温下充分搅拌2h。最后，抽滤并用去离子水洗涤滤饼至中性，在80℃烘箱中干燥12h，得到最终的NHPC产物。
[0032]其他的步骤同实施例1。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钌负载掺氮多孔碳析氢电催化剂的制备方法，其特征在于，包括：1)NHPC的制备取可溶性淀粉、柠檬酸三铵和碳酸氢钠混合并充分搅拌，将搅拌后的混合物转移至管式炉中，在氮气气氛下，以5～15℃/min的升温速率升温，在700℃～900℃高温炭化1～2h，将炭化后的产物加入去离子水室温下搅拌1～4h，过滤并水洗滤渣至pH＝6～8，在70～90℃温度下干燥；2)Ru/NHPC催化剂材料的制备取步骤1)制得的NHPC掺氮多孔碳和RuCl3·
3H2O溶于去离子水，在超声的氛围下超声分散；配置2mg/ml的NaBH4溶液，将NaBH4溶液缓慢的滴加到超声氛围...

【专利技术属性】
技术研发人员：周卫民，张万涛，刘渤，牟远，周毅，郭晓菲，徐桂英，王坤，
申请(专利权)人：辽宁科技大学，
类型：发明
国别省市：