一种Ru掺杂W制造技术

本发明专利技术公开了一种Ru掺杂W

【技术实现步骤摘要】
一种Ru掺杂W
4.6
N4颗粒@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂


[0001]本专利技术属于电催化水分解领域，具体涉及一种Ru掺杂W
4.6
N4颗粒@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂及制备方法。

技术介绍

[0002]氢能是未来国家能源体系的重要组成部分。按照氢气的生产方式，可分为灰氢、蓝氢和绿氢三种，分别指化石能源制氢，装有二氧化碳捕集和封存设施的化石能源制氢，以及可再生能源电解水制氢。根据《规划》，国家会逐渐提高电解水制氢的绿氢的占比。电解水制氢涉及两个半反应：阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)，这两个半反应的实现均依赖于高效的电催化剂。迄今为止，Pt
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和Ir/Ru
‑
氧化物基催化剂仍然被认为是HER和 OER的理想电催化剂。然而，昂贵的成本和较低的储量阻碍了它们的大规模商业应用。因此，开发廉价、高效且稳定的电解水制氢的催化剂，成为降低制氢成本的关键。
[0003]过渡金属氮化物，凭借其低电阻、宽d带、优异的抗腐蚀性和良好机械强度的优势，正成为析氢电催化剂的理想材料，例如单金属氮化物(CoN，Ni3N等)、双金属氮化物(CoFeN、 NiMoN等)。掺杂被证实是一种有效提升催化剂性能的策略，在过渡金属氮化物晶格中引入异质原子，可以精确调控主催化剂的电子结构，从而优化反应过程中中间体的吸附和解吸行为，进一步提高过渡金属氮化物的催化活性。Ceng等人通过多步水热反应、离子交换和磷化方法，成功地合成了一种钌掺杂双金属磷化物催化剂(Rur/>‑
NiCoP)，显示出优异的析氢和析氧性能(Cen J,Shen P K,Zeng Y.，J Colloid Interface Sci.,2022,610:213
‑
20)。此外，为了提高催化剂的整体导电性，引入具有优良导电性能的碳材料作为骨架是一种有效的方法。碳材料骨架同时可以避免活性成分在催化过程中的团聚，增加暴露的活性位点，从而提高其催化活性。
[0004]本专利技术以导电性能优异的氮掺杂石墨烯管为载体，通过水热加氮化的方法制备出由氮掺杂石墨烯管和原位生长在其表面的Ru掺杂W
4.6
N4纳米颗粒组成的析氢电催化剂。该催化剂在碱性介质中表现出高效且稳定的电催化活性，产生10mA cm
‑2的电流密度时，仅需38mV 的过电势，且表现出优异的稳定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种由氮掺杂石墨烯管和原位生长在其表面的Ru掺杂W
4.6
N4纳米颗粒组成的析氢电催化剂。具体的
技术实现思路
为：
[0006]1.以氮掺杂石墨烯管为载体，通过水热加氮化法，获得由氮掺杂石墨烯管和原位生长在其表面的Ru掺杂W
4.6
N4纳米颗粒组成的析氢电催化剂，通过以下方法制备：
[0007](1)配置浓度为0.72mmol
·
l
‑1的钨酸铵水溶液和浓度为4.8～28.4mmol
·
l
‑1的三氯化钌水溶液，将上述两溶液按体积比为5:1进行混合，并转移至反应釜中，同时将生长在石墨片上的氮掺杂石墨烯管浸入反应釜中，进行水热反应，反应温度为200℃，反应时间为2h，然后洗涤、干燥产物，得到负载在氮掺杂石墨烯管上的Ru掺杂WO
x
前驱体；
[0008](2)将步骤(1)的产物放入管式炉中，在氩气气氛加热至700℃后，关闭氩气，并在该设定温度下，通入氨气2h后，冷却至室温，得到所述Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂。
[0009]2.所述Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂在碱性介质中表现出优异的析氢性能，仅需38mV的过电势即可达到10mA cm
‑2的电流密度，且表现出优异的稳定性。
[0010]本专利技术所公开的一种Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂，与现有技术相比，其优越性在于：
[0011](1)将异质原子Ru引入电催化剂，精确调控宿主材料W
4.6
N4的电子结构，从而优化反应过程中对中间体的吸附和解吸行为，进而提高催化剂的活性；
[0012](2)引入具有优良导电性能的氮掺杂石墨烯管作为载体，不仅可以提高催化剂的整体导电性，并可以避免活性成分在催化过程中的团聚，增加暴露的活性位点，从而提高析氢性能。
附图说明
[0013]图1为实施例1所制得的Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂的SEM照片， (a)1μm,(b)500nm；
[0014]图2为实施例1所制得的Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂的(a)TEM照片， (b)HRTEM照片；
[0015]图3为实施例1所制得的Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂的XRD谱图；
[0016]图4为实施例1所制得的Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂的XPS谱图,(a) W 4f谱,(b)N 1s谱，(c)Ru 3p谱；
[0017]图5为实施例1所制得的Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂在1mol/L KOH 溶液中电催化分解水的析氢反应性能图，(a)LSV曲线图，(b)Tafel斜率图，(c)稳定性测试图。
具体实施方式
[0018]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明，但是这些实施例不以任何方式限制本专利技术的范围。
[0019]实施例1
[0020]本实施例所述Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0021](1)配置浓度为0.72mmol
·
l
‑1的钨酸铵水溶液和浓度为24mmol
·
l
‑1的三氯化钌水溶液，将上述两溶液按体积比为5:1进行混合，并转移至反应釜中，同时将生长在石墨片上的氮掺杂石墨烯管浸入反应釜中，进行水热反应，反应温度为200℃，反应时间为2h，然后洗涤、干燥产物，得到负载在氮掺杂石墨烯管上的Ru掺杂WO
x
前驱体；
[0022](2)将步骤(1)的产物放入管式炉中，在氩气气氛加热至700℃后，关闭氩气，并在该设定温度下，通入氨气2h后，冷却至室温，得到所述Ru掺杂W
4.6
N4@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂。
[0023]从说明书附图中图1(a)，(b)的不同放大倍数的SEM照片，可以看出载体材料为均
匀的管状，直径为150～200nm，Ru掺杂W
4.6
N4呈颗粒状，均匀锚定在氮掺杂石墨烯管的表面。从图2(a)的TEM照片可以清楚地看到Ru
‑
W
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ru掺杂W
4.6
N4颗粒@氮掺杂石墨烯管析氢电催化剂，其特征在于，通过水热加氮化法，获得一种由氮掺杂石墨烯管和原位生长在其表面的Ru掺杂W
4.6
N4纳米颗粒组成的析氢电催化剂，其特征在于，通过以下方法制备：(1)配置浓度为0.72mmol
·
l
‑1的钨酸铵水溶液和设定浓度的三氯化钌水溶液，将上述两溶液按体积比为5:1进行混合，并转移至反应釜中，同时将生长在石墨片上的氮掺杂石墨烯管浸入反应釜中，进行水热反应，反应温度为200℃，反应时间为2h，然后洗涤、干燥产物，得到负载在氮掺杂石墨烯管上的Ru掺杂WO
x
前驱体；(2)将步骤(1)的产物放入管式炉中，在氩气气氛加热至设定温度后，关闭氩气，并在该设定温度下，通入氨气一定时间后，冷却至室温，得到所述Ru掺杂W
4.6
N4颗粒@氮掺杂石墨烯管析...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋冠英，周晴，李镇江，邹家琛，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：