[发明专利]一种用作电催化剂的钌钴合金纳米颗粒、其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种钌钴合金纳米颗粒、其制备方法和应用，该方法将水溶性钌盐与钴氰酸钴在水中混合搅拌，得到钌掺杂的钴氰酸钴前驱体；将所述钌掺杂的钴氰酸钴前驱体在氮气或惰性气体气氛中退火，得到钌钴合金纳米颗粒。本发明所述钌钴合金纳米颗粒具有纳米尺度的碳包覆金属的复合结构，其外层壳主要成分是碳，内部的金属是钌钴合金。本发明所述钌钴合金纳米颗粒成本较低，并且具有突出的催化活性和循环稳定性。实验结果表明，本发明提供的这种材料在强碱性溶液中进行析氢电催化反应表现出极佳的催化活性，超越了商用的Pt/C电催化剂，并且连续循环10000次之后催化性能并没有明显下降，稳定性高，具有非常好的电化学催化实用前景。

技术领域

本发明涉及电催化剂技术领域，尤其涉及一种钌钴合金纳米颗粒、其制备方法和应用。

背景技术

氢能源是环境友好的清洁能源，由于能量密度高、零排放和资源丰富等优点，其被认为是未来最有希望的化石能源替代物，具有广阔的市场发展前景。然而，目前工业制氢不仅依赖于消耗化石能源，还会排放出温室气体二氧化碳造成环境污染。目前，电解水是一种可行的制氢技术，可以取代工业制氢。其中，酸性析氢缺少便宜高效的对电极进行析氧，因此，在碱性介质下电解水析氢是最有可能形成产业化制氢的技术。但是，电解水需要较高的过电位，会造成大量的能量消耗，因此需要高效且稳定的电催化剂来降低所需的过电位。由此可见，寻找高效且廉价的碱性HER(电解水析氢反应)电催化剂具有重要的研究价值和应用价值。

目前而言，贵金属铂Pt是最好的HER电催化剂，但是昂贵的价格限制了它的广泛应用。过渡金属价格较低，具有一定的电催化活性，但是这类材料的活性以及稳定性都远远落后于贵金属Pt基催化剂，远远不能满足产业化应用所需的要求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种钌钴合金纳米颗粒、其制备方法和应用，本发明提供的钌钴合金纳米颗粒作为电催化剂，具有高催化活性和高稳定性，且成本较低。

本发明提供一种钌钴合金纳米颗粒，其具有外层碳基壳包覆内部钌钴合金的复合结构。

优选地，所述碳基壳由多层石墨烯层构成。

优选地，所述石墨烯层的层数为5～20层。

优选地，所述碳基壳掺杂有氮。

优选地，所述钌钴合金中钌的质量含量大于0且小于等于4.5％。

本发明提供一种钌钴合金纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

将水溶性钌盐与钴氰酸钴在水中混合搅拌，得到钌掺杂的钴氰酸钴前驱体；

将所述钌掺杂的钴氰酸钴前驱体在氮气或惰性气体气氛中退火，得到钌钴合金纳米颗粒，其具有外层碳基壳包覆内部钌钴合金的复合结构。

优选地，所述水溶性钌盐为氯化钌。

优选地，将钴氰酸钴分散在水中，与水溶性钌盐水溶液混合搅拌，得到钌掺杂的钴氰酸钴前驱体；

所述水溶性钌盐水溶液的浓度为0.01g/mL；所述水溶性钌盐水溶液与钴氰酸钴的体积质量之比为(0.001～3.5)mL：25mg。

本发明提供一种电化学产氢的方法，包括以下步骤：

采用电催化剂在碱性溶液中电催化分解水反应，产出氢气；

所述电催化剂为上文所述的钌钴合金纳米颗粒。

优选地，使用三电极体系，采用电催化剂在碱性溶液中电催化分解水反应；所述三电极体系包括对电极、参比电极和工作电极；

所述碱性溶液为浓度为1M的KOH溶液；所述电催化剂在工作电极上的负载量为0.2～0.3mg/cm²。