[发明专利]负载钌纳米粒子的铁/氮二元掺杂碳催化剂及其制备方法

说明书

本发明是一种负载钌纳米粒子的铁/氮二元掺杂纳米碳催化剂及其制备方法，制备方法包含以下步骤：首先，将葡萄糖、二氰胺、氯化铁溶于去离子水中，再加入二氧化硅水溶液，并搅拌形成混合溶液，接著将氯化钌加入到混合溶液中，并且对加入有氯化钌的混合溶液搅拌及加热处理。将上述溶剂蒸发后的混合物在惰性气体中进行热处理，使氯化铁和二氰胺在葡萄糖碳化过程中发生共掺杂，氯化钌加热还原为钌纳米粒子，得到热处理后的产物，再将热处理后的产物依序在氢氧化纳溶液中烘泡及在硫酸中搅拌，且分别进行清洗及离心程序，并将离心后的产物放入烘箱中干燥。研磨干燥后的产物，得到负载钌纳米粒子的铁/氮二元掺杂纳米碳催化剂。

【技术领域】

本发明是关于一种碳纳米材料的制备领域，特别是一种负载钌纳米粒子的铁/氮二元掺杂碳纳米材料及其制备方法。

【背景技术】

碳材料的来源广泛、成本低、稳定性好，拥有可以自由移动的离域π电子，这些离域π电子有利于电化学反应的进行，虽然碳材料的电子结构稳定，但碳材料通常不具有电催化能力。

铂基催化剂目前用于多种化学反应和燃料电池的产业领域，但铂基催化剂仍存在许多待解决的问题，例如在聚合物电解质燃料电池(PEFC)或是空气电池中，铂的使用导致电池的成本因此对应增加，并且电池因为铂的使用而导致化学反应的发生，像是电解质溶液的分解。因此，铂基催化剂在下一代电池的发展过程中会造成技术突破上的主要障碍。

在碳材料中掺杂异质原子的技术，已经被许多研究结果证实能够影响碳材料体系的电荷密度分布以及碳原子的自旋密度分布，从而改变碳材料的电子结构，掺杂有异质原子的碳材料表现出一定的电催化活性。其中，过渡金属(主要是铁和钴)和氮二元掺杂的纳米碳催化剂由于具备较高的活性和稳定性，被认为是最有机会替代铂基催化剂而应用于燃料电池的阴极氧还原过程，因此负载型纳米贵金属多相催化剂的设计和制备已经受到越来越多研宄者的关注。

到目前为止，有关于金属钌作为析氢催化剂的研究和相关报导相对较少，但是金属钌与氢的键合强度大约为65kcal/mol，金属钌与氢的键合强度和铂/氢的键合强度相当接近，而且金属钌的价格比铂要来的便宜，金属钌的价格只有铂的十五分之一，因此以金属钌替代铂作为析氢的催化剂是可行的，而且还可以大幅降低制造成本。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提出一种负载钌纳米粒子的铁/氮二元掺杂纳米碳催化剂及其制备方法，由于铁/氮二元掺杂纳米碳基体和钌纳米粒子的协同作用，使得本发明制备所得的催化剂的催化活性明显提高，因此本发明提出的催化剂确实可以替代现有技术的铂基催化剂，进而大幅应用在电催化析氢。

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种负载钌纳米粒子的铁/氮二元掺杂纳米碳催化剂的制备方法，包含以下步骤：首先，将葡萄糖、二氰胺、氯化铁溶于去离子水中，再加入二氧化硅水溶液，并搅拌形成一混合溶液，接著将氯化钌加入到混合溶液中，并且对加入有氯化钌的混合溶液搅拌及加热处理。将上述溶剂蒸发后的混合物在惰性气体中进行热处理，使氯化铁和二氰胺在葡萄糖碳化过程中发生共掺杂，以及氯化钌加热还原为钌纳米粒子，得到热处理后的产物。将热处理后的产物在氢氧化纳溶液中烘泡，再进行清洗及离心程序，后续再将离心后的产物在硫酸中搅拌，再进行清洗及离心程序，并将离心后的产物放入烘箱中干燥。最后，研磨干燥后的产物，得到负载钌纳米粒子的铁/氮二元掺杂纳米碳催化剂。

较佳的，如前述的负载钌纳米粒子的铁/氮二元掺杂纳米碳催化剂的制备方法，其中在将热处理后的产物在氢氧化纳溶液中烘泡，再进行清洗及离心程序的步骤中，氢氧化纳溶液的摩尔浓度是2M，氢氧化纳溶液的工作温度是90℃，热处理后的产物在氢氧化纳溶液烘泡的时间是8小时，并且使用去离子水和乙醇进行清洗程序。

较佳的，如前述的负载钌纳米粒子的铁/氮二元掺杂纳米碳催化剂的制备方法，其中在将离心后的产物在硫酸中搅拌，再进行清洗及离心程序的步骤中，硫酸的的摩尔浓度是0.5M，硫酸的工作温度是60℃，离心后的产物在硫酸中搅拌的时间是2小时，并且使用去离子水和乙醇进行清洗程序。