【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电解水制氢，具体涉及一种含氮分子调控ru/ruo2异质催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
1、随着传统化石燃料的枯竭和生态环境问题的不断加重，寻找可再生、环境友好型的替代能源迫在眉睫。氢能作为可再生的清洁能源载体，已成为最有前景的新一代能源之一。目前氢的应用方向十分广泛，主要集中在交通运输、燃料电池、氢能冶金、化工产业、建筑供暖、发电等领域。目前主要的制氢方式包括化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质制氢及其他方式。以生产“绿氢”为目标，通过可再生能源发电耦合电解水技术，有望实现氢气生产过程的零碳排放。因此，电解水技术正在迅速走向规模化和商业化。然而，在电解水制氢基础和应用研究方面仍然存在一些关键挑战，如电解水阴极析氢过电位较高，电解电压较高，导致能耗较大，与传统制氢方式相比没有经济优势。目前，工业碱性电解水阴极析氢催化剂主要以贵金属铂和镍基复合电极为主，然而贵金属pt因其资源稀缺性，高昂的价格以及大电流密度下的活性和稳定性较差使其无法在大规模工业化制氢领域中应用。同时，镍基催化电极本征活性不高，所需过电位较大。因此迫切需要开发制备方法简单且催化活性优异的催化材料。
2、作为析氢反应(her)的潜在催化剂，钌基催化剂凭借其固有的高活性和相对较低的价格备受瞩目。然而，由于高表面能，导致它们在制备或反应过程中仍面临着金属颗粒易于团聚的挑战，降低了它们的比活性。因此，开发一种在工业电流密度下具有高活性和高稳定性的ru基her催化剂仍然是一个巨大的挑战。研究表明，具有独特异质结构的催化剂可以暴露更多
3、wang等人(zexing wu,lei wang,et al.small,2022,18,2105168)通过hmt配合物前驱体合成n、p共掺杂碳负载的具有独特异质结构的ruo2-rup2/ru催化剂材料，实现全ph范围内的高效析氢。然而该催化剂仅在较低电流密度下表现出优异的析氢活性。
4、吴等人(cn114318411b)利用溶菌酶辅助制备了负载钴纳米粒子的竹节状碳纳米管，同时在碳纳米管外表面锚定钌纳米团簇形成具有三相异质结构的钴/碳纳米管/钌复合材料。由于各组分的协同效应以及界面间暴露更多的活性位点提高了在宽ph范围电解液中的析氢活性，在1.0m koh、0.5m h2so4、1m pbs中，当电流密度为10macm-2时所需的过电位分别仅为10mv、32mv、63mv。然而ru基异质结催化剂在大电流密度下的析氢活性仍然不高。
技术实现思路
1、针对现有技术中ru基异质结催化剂在大电流密度下析氢活性和稳定性较差的问题，本专利技术的目的在于提供了一种适用于大电流电解水析氢反应的含氮分子调控ru/ruo2异质催化剂及其制备方法与应用，该异质结催化剂利用有机含氮分子表面修饰结合低温的方法，制备方法简单可控，易于放大，在大电流析氢反应中表现出了优异的析氢活性和稳定性。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种含氮分子调控的ru/ruo2复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：
4、(1)将泡沫镍浸没在含氮有机分子溶液中，干燥，得到nh2/nf电极；
5、(2)将nh2/nf电极放入rucl3·3h2o水溶液中，在30～120℃下进行反应，干燥，得到ru/ruo2-nh2/nf电极；
6、(3)将ru/ruo2-nh2/nf电极室温下浸没在含氮有机分子溶液中，干燥，得到含氮分子调控的ru/ruo2复合催化剂。
7、进一步的，含氮有机分子溶液的浓度为1～10mg/ml。
8、进一步的，步骤(1)和步骤(3)中，含氮有机分子为乙二胺、乙二胺四乙酸二钠、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、核苷酸、聚苯胺、聚多巴胺与酰胺中的一种或两种。
9、进一步的，rucl3·3h2o水溶液的浓度为0.1～1.5mg/ml。
10、进一步的，反应时间为2～12h。
11、进一步的，步骤(3)中含氮有机分子溶液浓度为1～5mg/ml。
12、进一步的，步骤(1)和步骤(3)中，浸没时间为2～24h。
13、进一步的，步骤(1)、步骤(2)与步骤(3)中，干燥为真空干燥，温度为30～90℃，干燥的时间为2～10h。
14、一种根据所述方法制备的含氮分子调控的ru/ruo2复合催化剂。
15、一种根据所述方法制备的含氮分子调控的ru/ruo2复合催化剂在制备电解水析氢领域中的应用。
16、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
17、本专利技术使用多孔泡沫镍为支撑体，通过含氮分子对泡沫镍表面进行修饰，提高了钌物种的负载能力。然后利用低温的方法结合含氮分子的弱还原性，将钌前驱体转变成ru/ruo2，然后进一步利用含氮分子对ru/ruo2进行电子结构调控和形貌调控制备出具有编织网状结构的nh2-ru/ruo2-nh2/nf异质结催化电极。该电极利用含氮分子的螯合性、强黏附性、还原性制备了ru/ruo2异质结复合催化剂，其中异质结构不仅增加了催化剂的活性位点，两者之间的协同作用还提高了催化剂的稳定性。
18、本专利技术制备的催化电极在碱性析氢反应中，在121mv的低过电位下就可以驱动1000macm-2电解水制氢。本专利技术的制备方法简单、原材料易得、易于放大，有望实现大规模工业化应用。
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1.一种含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂的制备方法，其特征在于，含氮有机分子溶液的浓度为1～10mg/mL。
3.根据权利要求1所述的含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中，含氮有机分子为乙二胺、乙二胺四乙酸二钠、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、核苷酸、聚苯胺、聚多巴胺与酰胺中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂的制备方法，其特征在于，RuCl3·3H2O水溶液的浓度为0.1～1.5mg/mL。
5.根据权利要求1所述的含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂的制备方法，其特征在于，反应时间为2～12h。
6.根据权利要求1所述的含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中含氮有机分子溶液浓度为1～5mg/mL。
7.根据权利要求1所述的含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂的制备方法，其特征
8.根据权利要求1所述的含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)、步骤(2)与步骤(3)中，干燥为真空干燥，温度为30～90℃，干燥的时间为2～10h。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述方法制备的含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂。
10.一种根据权利要求1-8任一项所述方法制备的含氮分子调控的Ru/RuO2复合催化剂在制备电解水析氢领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种含氮分子调控的ru/ruo2复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的含氮分子调控的ru/ruo2复合催化剂的制备方法，其特征在于，含氮有机分子溶液的浓度为1～10mg/ml。
3.根据权利要求1所述的含氮分子调控的ru/ruo2复合催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中，含氮有机分子为乙二胺、乙二胺四乙酸二钠、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、核苷酸、聚苯胺、聚多巴胺与酰胺中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的含氮分子调控的ru/ruo2复合催化剂的制备方法，其特征在于，rucl3·3h2o水溶液的浓度为0.1～1.5mg/ml。
5.根据权利要求1所述的含氮分子调控的ru/ruo2复合催化剂的制备方法，其特征在于，反应时间为2...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海洋，曾娟，孔爱群，张金利，董延召，靳雯清，
申请(专利权)人：石河子大学，
类型：发明
国别省市：
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