[发明专利]一种析氢电催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种析氢电催化材料及其制备方法和应用。催化材料含有金属载量为0.05‑5wt％的超精细的钌纳米颗粒和氮掺杂量为1.0‑10.0at％的氮掺杂碳骨架，所述超精细的Ru纳米颗粒均匀地负载在所述氮掺杂碳骨架中，所述氮掺杂碳骨架中含有氮元素、碳元素和氧元素。本发明提供的催化材料可催化电解水析氢反应，在实现高效电催化析氢的同时，又可保证催化剂材料的稳定性。

技术领域

本发明属于电化学领域，特别涉及一种析氢电催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，化石燃料的大量消耗已经导致了严重的能源和环境危机。随着能源短缺、温室效应与环境污染问题的日益严峻，探索新型可再生的绿色能源已成为能源和材料研究领域的重要课题之一。在所有的能源资源中，氢气由于具有高的能量密度和对环境无污染等优点被认为是最有前途的传统化石燃料替代品之一。电解水析氢反应利用可再生的电能将地球上储量充沛的水资源分解产生氢气，是一项具有巨大应用前景的制氢技术，有望实现氢能源的产业化。过去的研究在发展高效稳定的析氢电催化材料方面取得了巨大的进步，其中众所周知的商品Pt/C贵金属催化剂由于具有接近于零的析氢过电势和超低的塔菲尔斜率，是一种可以满足商业应用需求的先进析氢电催化材料。但是，贵金属Pt储量稀缺，价格昂贵，并且Pt/C催化剂在析氢过程中的失活表现都限制了其广泛的应用。因此，开发贵金属用量少，析氢性能优越的电催化材料是突破电解水析氢技术瓶颈的关键，成为广大科研工作者们的研究热点。

金属纳米颗粒的尺寸效应会引起其催化性质发生急剧变化。当贵金属纳米颗粒的尺寸减小时，能够暴露出更多的活性表面原子参与析氢反应。并且利用结构可控、导电性好、化学稳定性高的碳材料均匀地负载贵金属纳米颗粒得到的贵金属/碳纳米复合材料可以抑制贵金属纳米颗粒的团聚，提高高活性表面原子的利用率，有望获得贵金属用量少，性能优越的析氢电催化材料。目前，高温热解由贵金属离子和碳源构成的前驱体是制备金属/碳纳米复合材料的普遍方法，但由于贵金属离子和碳源之间缺乏有效的限域和固定作用，常常导致高温热解得到的复合材料存在比表面积小以及金属纳米颗粒团聚严重等问题。因此，开发一种简单高效的方法制备具有高比表面积和超细贵金属纳米颗粒的贵金属/碳纳米复合材料对实现电解水的大规模工业化应用有着重要的现实意义。

发明内容

本发明提供一种析氢电催化材料，所述催化材料含有金属载量为0.05-5wt％的超精细的钌(Ru)纳米颗粒和氮掺杂量为1.0-10.0at％的氮掺杂碳骨架，所述超精细的Ru纳米颗粒均匀地负载在所述氮掺杂碳骨架中，所述氮掺杂碳骨架中含有氮元素、碳元素和氧元素。

根据本发明的实施方案，所述氮掺杂碳骨架可以通过高温碳化菱形十二面体微孔ZIF-8单晶和十四面体有序大孔-微孔ZIF-8单晶中的至少一种得到，优选为高温碳化十四面体有序大孔-微孔ZIF-8单晶得到的氮掺杂碳骨架。

根据本发明的实施方案，所述超精细的Ru纳米颗粒形成超细的粒径分布。例如，所述超精细的Ru纳米颗粒的平均粒径为0.5-5nm，例如1-4nm，又如1.3-3.5nm；示例性地，其粒径可以为1.2nm、1.5nm、1.8nm、2.1nm、2.4nm、2.7nm、3.3nm。

根据本发明的实施方案，所述超精细的Ru纳米颗粒的金属载量为0.1-4wt％，例如0.5-3wt％，示例性为0.05wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％。

根据本发明的实施方案，所述氮掺杂量为2-8at％，例如3-7at％，示例性为1at％、2at％、3at％、4at％、4.6at％、5at％、6at％、6.6at％、7at％、8at％、9at％、10at％。

根据本发明的实施方案，所述析氢电催化材料具有由有序大孔-介孔-微孔共存的分级有序多孔十四面体结构。