[发明专利]一种空心碳球封装Ru纳米颗粒电解水催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于电解水催化剂制备技术领域，公开一种空心碳球封装Ru NPs电解水催化剂及其制备方法。所述催化剂为空心碳球结构，其内封装有Ru NPs。采用Stöber法制备SiO₂纳米球，用硅烷偶联剂对SiO₂纳米球进行修饰；以质量比计，SiO₂纳米球∶RuCl₃=4~10∶1，将修饰后的SiO₂纳米球、RuCl₃水热反应制得SiO₂@RuO₂ L；在SiO₂@RuO₂ L外面包覆酚醛树脂，制得SiO₂@RuO₂ L@酚醛树脂；焙烧、HF溶液刻蚀，得到空心碳球封装Ru NPs催化剂。本发明方法所制备出的空心碳球封装Ru NPs催化剂，析氢反应（HER）催化活性高，稳定性好，同时成本低、易于产业化。

技术领域

本发明属于电解水催化剂制备技术领域，具体涉及一种空心碳球封装Ru NPs电解水催化剂及其制备方法。

背景技术

随着传统能源储备日益枯竭，人类一直致力于新能源的开发。由于氢气能量密度高，绿色无污染，可以作为优秀的能源载体。在各种制氢方法中，析氢反应（HER）是最经济有效的方法。迄今为止，Pt基材料被认为是最有效的HER催化剂，其催化活性已成为判断其他替代催化剂的试金石。但高成本和低动力学限制了它们的大规模生产和大规模商业应用。许多研究尝试开发基于过渡金属（包括Ni，Mo，Co基催化剂及其衍生物如-N，-C和-S）催化剂。不幸的是，没有Pt的促进作用，上述具有固有腐蚀和氧化敏感性的催化剂不能从根本上解决对HER的低性能的问题。

近年来，由于多孔碳基材料具有高比表面、优异的导电性和良好的物理化学稳定性等特性，在电催化和能量转化方面吸引了研究者的重视。即使如此，碳纳米材料的催化活性仍然不足以与金属基材料相媲美。因此，具有活性组分或金属相调节和活化的碳基材料是改善催化活性的有吸引力的策略。例如，传统的掺杂杂原子（N，P，S和B）方法可以调节碳骨架的电子和电化学性质，但对HER的增强效率仍然非常有限。虽然N掺杂碳与非贵金属结合也进行了研究，但其内在活性（TOF）和/或质量比活性也远低于Pt催化剂。因此，非常迫切需要采用更有效和适中的成本方法来调节和激活碳，以开发适用于HER的新型催化剂。

发明内容

为克服现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种空心碳球封装RuNPs（NPs，纳米颗粒Nanoparticles的简写）电解水催化剂及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种电解水催化剂，所述催化剂为空心球结构，为空心碳球结构，其内封装有RuNPs。

制备方法，步骤如下：

（a）、采用Stöber法制备SiO₂纳米球；

（b）、在无水条件下，以甲苯为溶剂，用硅烷偶联剂对SiO₂纳米球进行修饰；

（c）、将修饰后的SiO₂纳米球、RuCl₃溶于混合溶剂I中，然后在100 ~ 200 ℃水热反应10 ~ 24 h，分离，干燥，制得中间体I，标记为SiO₂@RuO₂ NPs；其中，以质量比计，SiO₂纳米球∶RuCl₃=4~10∶1；混合溶剂I由无水乙醇与水按体积比1∶1~5组成，每50 mg RuCl₃，混合溶剂I的用量为35~45 mL；