氧、氮掺杂碳包覆钌-M合金纳米颗粒催化剂及制备方法和应用方法技术

本发明专利技术涉及一种氧、氮掺杂碳包覆钌

【技术实现步骤摘要】
氧、氮掺杂碳包覆钌
‑
M合金纳米颗粒催化剂及制备方法和应用方法


[0001]本专利技术属于纳米材料的制备与应用领域，涉及一种氧、氮掺杂碳包覆钌
‑
M合金纳米颗粒催化剂及制备方法和应用方法。

技术介绍

[0002]电解水产氢是目前解决环境问题与能源问题的重要途经之一，可以实现电能与氢能的转化，可以与太阳能、风能等能源进行优势互补，解决其他能源的区域局限问题，以解决区域性、季节性、时段性电能供需不平衡和过剩现象。电解水析氢反应的能量势垒大和反应动力学慢，极大地限制了电催化水裂解制氢的发展。因此，电催化剂是促进电解水析氢反应(HER)的关键技术。铂基催化剂是最优秀的电解水催化剂，但是铂(Pt)价格贵且储量少。目前，大量研究表明钌(Ru)可作为Pt的替代材料，虽然一些Ru基催化剂具备高效、稳定性好、金属含量低以及金属更廉价等特点，但是依然可以通过M(M：铁、钴、镍)金属掺杂等方法，进一步降低金属钌(Ru)使用量以降低催化剂生产成本，进一步提高催化剂催化活性以提高析氢效率，进一步改善结构以提高稳定性。因此，我们开发了一种氮、氧掺杂碳包覆钌
‑
M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂，其拥有优异的催化活性、较低Ru含量，以及优异的稳定性。

技术实现思路

[0003]要解决的技术问题
[0004]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种氧、氮掺杂碳包覆钌
‑
M合金纳米颗粒催化剂及制备方法和应用方法，提供一种氮、氧掺杂碳包覆钌
>‑
M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂，在提高电解水制氢效率的同时降低Ru的含量以及获得优异的稳定性。
[0005]技术方案
[0006]一种氧、氮掺杂碳包覆钌
‑
M合金纳米颗粒催化剂，其特征在于包括载体以及载体包覆的活性组分；所述载体为片状氮、氧掺杂的碳；所述活性组分为钌
‑
M合金纳米颗粒；其中：O质量含量为5％
‑
12％，N质量含量为1％
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7％，Ru质量含量为1％
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10.4％，钌
‑
M合金中摩尔比为Ru﹕M＝1﹕1～3.5。
[0007]所述钌
‑
M合金中Ru与M以0价态存在；所述O以C
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O、C＝O和金属O形式存在，N以吡啶N、吡咯N和金属N形式存在。
[0008]所述钌
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M合金纳米颗粒中的M为铁、钴或镍。
[0009]所述钌
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M合金纳米颗粒粒径0.5
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100nm。
[0010]一种所述氧、氮掺杂碳包覆钌
‑
M合金纳米颗粒催化剂的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0011]步骤1：将0.01
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100mg的单宁酸加入到30
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120mL的蒸馏水中，再加入钌前驱体溶液0.01
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6mL与0.01
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800mg的M前驱体，搅拌20
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120min后加入200
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600mg的石墨相氮化碳g
‑
C3N4，并超声处理0.5
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5h，之后将混合液在40
‑
80℃条件下蒸干溶剂；剩余固体在惰性气体氛围下，在300
‑
400℃下，保温1
‑
4h，得到Ru
‑
M/g
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C3N4固体；
[0012]步骤2：将400
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700mg的Ru
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M/g
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C3N4固体加入到40
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120mL的甲醇或乙醇溶液中，超声10
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60min后得到Ru
‑
M/g
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C3N4固体分散液，之后将40
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120mL的含有200
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500mg的盐酸多巴胺的甲醇或乙醇溶液加入到上述分散液中，搅拌均匀后再加入三(羟甲基)氨基甲烷缓冲液，室温搅拌4
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48h，过滤洗涤干燥，得到聚多巴胺PDA包覆的Ru
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M/g
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C3N4固体即Ru
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M/g
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C3N4@PDA；
[0013]步骤3、将Ru
‑
M/g
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C3N4@PDA固体在惰性气体氛围下进行热解：先在250
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600℃下保温0.5
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4h，再在700
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1200℃下保温0.5
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4h，得到氮、氧掺杂碳包覆钌
‑
M合金纳米颗粒催化剂。
[0014]所述M前驱体为硝酸M、氯化M、醋酸M以及其水合金属盐。
[0015]所述钌前驱体溶液为三氯化钌和/或醋酸钌水溶液。
[0016]所述钌前驱体溶液浓度为0.01mg/mL
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10mg/mL。
[0017]所述步骤2的甲醇或乙醇溶液替换为甲醇和乙醇任意比例混合溶液。
[0018]一种所述氧、氮掺杂碳包覆钌
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M合金纳米颗粒催化剂应用方法，其特征在于：催化剂用于电解水制氢。
[0019]有益效果
[0020]本专利技术提出的一种氧、氮掺杂碳包覆钌
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M合金纳米颗粒催化剂及制备方法和应用方法，氮、氧掺杂碳包覆钌
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M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂包括载体以及载体包覆的活性组分；所述载体为片状氮、氧掺杂的碳；所述活性组分为钌
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M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒；所述钌
‑
M合金纳米颗粒粒径0.5
‑
100nm。本专利技术还提供了所述氮、氧掺杂碳包覆钌
‑
M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂的制备方法及应用。本专利技术提供的氮、氧掺杂碳包覆钌
‑
M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂拥有优异的电解水产氢性能、相对较低钌金属含量、以及优异的稳定性。
[0021]与现有技术相比本专利技术具有下列优点：
[0022]1、本专利技术提共一种氮、氧掺杂碳包覆钌
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M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂，由氮、氧掺杂碳的载体与载体包覆的活性组分(钌
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M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒)构成；氮、氧掺杂碳的载体不仅对金属颗粒锚定性好，而且导电性好；活性组分为钌
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M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒，M的掺杂使得Ru具有优异的电解水制氢的催化活性；活性组分被包覆在氮、氧掺杂碳的载体中，因此在高电流密度下，催化剂能长时间稳定持续制氢。
[0023]2、本专利技术氮、氧掺杂碳包覆钌
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M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂，拥有较本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧、氮掺杂碳包覆钌
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M合金纳米颗粒催化剂，其特征在于包括载体以及载体包覆的活性组分；所述载体为片状氮、氧掺杂的碳；所述活性组分为钌
‑
M合金纳米颗粒；其中：O质量含量为5％
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12％，N质量含量为1％
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7％，Ru质量含量为1％
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10.4％，钌
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M合金中摩尔比为Ru﹕M＝1﹕1～3.5。2.根据权利要求1所述氧、氮掺杂碳包覆钌
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M合金纳米颗粒催化剂，其特征在于：所述钌
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M合金中Ru与M以0价态存在；所述O以C
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O、C＝O和金属O形式存在，N以吡啶N、吡咯N和金属N形式存在。3.根据权利要求1所述氧、氮掺杂碳包覆钌
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M合金纳米颗粒催化剂，其特征在于：所述钌
‑
M合金纳米颗粒中的M为铁、钴或镍。4.根据权利要求1所述氧、氮掺杂碳包覆钌
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M合金纳米颗粒催化剂，其特征在于：所述钌
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M合金纳米颗粒粒径0.5
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100nm。5.一种权利要求1～4任一项所述氧、氮掺杂碳包覆钌
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M合金纳米颗粒催化剂的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将0.01
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100mg的单宁酸加入到30
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120mL的蒸馏水中，再加入钌前驱体溶液0.01
‑
6mL与0.01
‑
800mg的M前驱体，搅拌20
‑
120min后加入200
‑
600mg的石墨相氮化碳g
‑
C3N4，并超声处理0.5
‑
5h，之后将混合液在40
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80℃条件下蒸干溶剂；剩余固体在惰性气体氛围下，在300
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400℃下，保温1
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【专利技术属性】
技术研发人员：张和鹏，王金辉，曹月领，张秋禹，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：