[发明专利]主族元素Mg掺杂的RuO2

说明书

本发明提供一种主族元素Mg掺杂的RuO₂复合材料、其制备方法及作为酸性OER电催化剂应用。该复合材料以金属有机框架材料为载体，主族元素Mg掺杂的RuO₂分布在载体上，并且主族元素Mg掺杂的RuO₂具有金红石型晶体结构，其中主族元素Mg和Ru原子均匀分布于所述晶体结构中。该复合材料呈纳米级颗粒，在酸性条件具有良好的电化学催化析氧性能，并且经过10000次循环后仍稳定，因此可作为酸性OER电催化剂应用。

技术领域

本发明属于电催化析氧用于电解水制氢技术领域，特别涉及一种主族元素 Mg掺杂的RuO₂复合材料、其制备方法及作为酸性OER电催化剂应用。

背景技术

氢被认为是一种理想的清洁能源载体来储存来自可再生的、间歇性的能源，在燃料电池中可以有效地将氢转化为电能，从而有效地利用最初储存的能量。电化学水分解，包括析氢反应(HER)和析氧反应(OER)，为高纯度的大规模制氢提供了一种高效、环保的方法。到目前为止，碱性电解水技术已经成熟，并可用于工业H₂的生产。

在酸性电解质中，阴极析氢反应的反应速率要远远高于其在碱性电解质中的反应速率，同时，酸性电解水制氢还具有产物纯度更高以及效率更高等优势。然而，酸性条件下高活性、稳定的OER电催化剂的缺乏，极大地阻碍了酸性电解水的广泛商业化。Ir氧化基材料被认为是酸性条件下OER的最先进的电催化剂。但是，Ir的低产量和高价格极大地阻碍了它们的商业化潜力。

一种可能的Ir替代物是价格便宜的Ru，它在酸性条件下也表现出高的OER 催化活性。然而，许多钌基电催化剂在酸性条件下的稳定性较差，原因是在高氧化环境下，钌会被过度氧化成可溶的RuO₄基团。

因此，对增强活性和稳定性的钌基体系进行精心设计或优化是当务之急，也是开发高效、经济、有吸引力的酸性电解水的研究方向。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种主族元素Mg掺杂的RuO₂复合材料，其兼具优异的酸性OER电催化活性和稳定性，可作为酸性OER电催化剂而应用。

本发明所提供的技术方案为：一种主族元素Mg掺杂的RuO₂复合材料，以金属有机框架材料为载体，主族元素Mg掺杂的RuO₂分布在载体上，并且Mg掺杂的RuO₂具有金红石型晶体结构，其中Mg和Ru原子均匀分布于所述晶体结构中。

所述Mg掺杂的RuO₂中，Ru在金属原子之中的百分比可在0到1之间任意改变，其分子式可以表示为Ru_1-xMg_xO_2-x，0x1。

所述金属有机框架材料不限，包括MOF-74、COF等。

本发明以金属有机框架材料为载体，Mg掺杂的RuO₂分布在载体上，得到Mg 掺杂的RuO₂复合材料，该复合材料颗粒呈纳米椭球形态。实验证实，该复合材料在酸性条件下具有如下优异的OER电催化活性和稳定性，可作为性能优异的酸性OER电催化剂：

(1)过电位(过电势)极低

酸性OER电催化测试表明，商业RuO₂在10mAcm^-2的电流密度下，过电位为308mV，并且在1小时内失活；在同样的测试条件下，本发明的Mg掺杂的RuO₂复合材料的过电位在230-260mV之间，例如Mg_0.05Ru_0.95O_2-δ，在10mAcm^-2的电流密度下，过电位仅为228mV，并且能够稳定30个小时以上。

(2)优异的电催化稳定性