[发明专利]一种碳包覆镍钌纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳包覆镍钌纳米材料，它由碳包覆镍钌纳米颗粒组成，其特征在于：所述碳包覆镍钌纳米颗粒包括镍钌纳米合金颗粒以及形成在所述镍钌纳米合金颗粒表面的至少一层包覆层，所述镍钌纳米合金颗粒的粒径为2~9 nm，所述包覆层为1‑9层石墨化碳层。本发明还提供了所述碳包覆镍钌纳米材料的制备方法和应用。本发明提供的碳包覆镍钌纳米材料具有优异的电催化制氢和电催化产氧活性，可以显著降低产氢和产氧的过电势，能在较低的电势下可实现碱性条件下全水解，且具有良好的稳定性。

技术领域

本发明属于纳米材料的制备与应用领域，具体涉及一种碳包覆镍钌纳米材料及其制备方 法和应用。

背景技术

氢气是一种高能量密度、清洁、可持续利用的能量载体，是未来最有潜力的能源之一。 与能耗较高的电解水技术相比，电催化水解是一种高效，清洁且低成本的制氢的技术。由于 电催化剂的作用，在较低的过电位条件下即可实现全水解，制备高纯度的氢气，因此大幅降 低了水解制氢的能耗。而制约这一方法广泛应用的关键因素是析氢(HER)和析氧(OER) 催化剂。目前，贵金属(如Pt，Ru，Ir和Pd)及其合金依然是最高效的水解电催化剂。然而， 这些贵金属价格高、储量少，制约了其在工业上的大规模应用。因此，用廉价的非贵金属(如 过渡金属)部分或完全替代贵金属，制备高活性，高稳定性的双功能电催化剂或可有效降低 催化剂成本。此外，考虑到HER、OER活性位不相容因素，单一的纯相材料难以同时实现 HER和OER的双功能催化。简单的HER和OER催化材料的物理混和则会导致活性位点的 大面积覆盖，降低催化剂的催化活性。因此，如何实现不同催化活性材料的纳米级甚至原子级的组合，开发一种新型复合型材料，是制备双功能电催化剂的关键。

过渡金属镍(Ni)导电性好、价格低且具有一定的OER电催化活性，因此近年来Ni及其氧化物或Ni基复合材料作为一种OER催化剂受到了广泛的关注。而Ru虽然是一种贵金属，其价格只有Pt的4％，是价格最低的贵金属之一。由于Ru同时具有较高的HER催化活 性，近年来受到广泛关注。因此，如果实现Ni和Ru在纳米或原子尺度的有效结合，或可得 到高效的双功能全水解催化剂。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种碳包覆镍钌纳米材料及其制备方法和 应用，该碳包覆镍钌纳米材料实现了催化活性材料镍和钌的纳米级组合，具有特定的结构组 成和双功能电催化剂活性；由该纳米材料组成的工作电极电解水制氢活性以及稳定性有明显 提升。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种碳包覆镍钌纳米材料，它由碳包覆镍 钌纳米颗粒组成，其特征在于：所述碳包覆镍钌纳米颗粒包括镍钌纳米合金颗粒以及形成在 所述镍钌纳米合金颗粒表面的至少一层包覆层，所述镍钌纳米合金颗粒的粒径为2～9nm，所 述包覆层为石墨化碳层。

进一步地，所述镍钌纳米颗粒为镍钌合金纳米颗粒，晶格间距为0.206nm。

进一步地，所述包覆层为1～9层。

本发明的又一目的在于提供一种上述碳包覆镍钌纳米材料的制备方法，它包括以下步 骤：

(a)将镍前驱体和钌前驱体溶于油胺溶液中得混合溶液；

(b)向盛有所述混合溶液的容器中通入惰性气体，于200～280℃加热反应，冷却后加入 混合溶剂进行洗涤得沉淀；

(c)将所述沉淀在惰性气体的气氛下于炉中于350～600℃煅烧1-60min，冷却即得所述 碳包覆镍钌合金纳米材料。

优选地，步骤(a)中，所述镍前驱体为六水合硝酸镍、乙酰丙酮镍、二水合氯化镍、四水乙酸镍中的至少一种；所述钌前驱体为氯化钌水合物、乙酰丙酮钌中的至少一种；所述惰性气体为氦气、氮气、氩气中的任意一种。

优选地，步骤(a)中，所述镍前驱体、钌前驱体和油胺的比例为20～100mg：20～100mg： 5～20mL。