[发明专利]一种钌、氮共掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和在电解析氢中的应用

说明书

本发明公开了一种钌、氮共掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和在电解析氢中的应用，该催化剂是以乙二胺四乙酸盐为配体和碳源，结合钌盐制备出钌配合物前驱体，然后对其进行高温热解，即获得目标产物。本发明的催化剂具有高效的析氢活性和持久的稳定性，应用前景广泛。

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种应用于电化学析氢反应的电催化剂的制备方法，具体涉及一种钌、氮共掺杂多孔碳催化剂的制备方法。

背景技术

氢气不仅是重要的工业原料，也是一种清洁能源和良好的能源载体，它可以满足电化学储能及储热的长周期、大容量需求，有效保障了未来高比例可再生能源体系的安全稳定运行。氢能的发展前景广阔，但氢气的生产主要依赖于不可再生的化石能源，如甲烷蒸汽重整和水煤气转换等。化石能源的短缺和其造成的环境污染迫使人们寻找环境友好的可再生能源来产氢。可再生能源如风能、水能和太阳能可以提供充沛的电力，利用这些电力来电解水制氢，可以实现氢气的无污染生产以及可再生能源的储存。

电解水过程涉及到水的氧化和还原两个电极反应，因此需要析氧催化剂和析氢催化剂分别催化水的氧化和还原。鉴于目前析氧催化剂都只在碱性条件下展现出好的催化性能和稳定性，因此需要发展碱性条件下的析氢催化剂，与析氧催化剂一起完成水分解反应。然而，碱性条件下的非贵金属析氢催化剂受制于水的解离步骤，催化活性和稳定性仍然较差。虽然铂基电催化剂在碱性条件下具有优异的析氢催化活性和稳定性，但铂金属的成本昂贵储量稀缺，极大地限制了其大规模应用。因此，亟需研发其它成本低、性能好的碱性析氢催化剂。

钌金属不仅可以很好地催化水解离，而且其价格相对铂更加便宜，因而有望用于设计优异的钌基碱性析氢催化剂。另一方面，多孔碳材料因其优异的导电性、大的比表面积以及良好的耐腐蚀性，被广泛用作各种金属催化剂的骨架。但是直接负载的金属，经常会在催化反应过程中脱落或聚集。以钌配合物前驱体制备钌碳复合材料，有利于得到金属载体强相互作用的催化剂，从而提高所得催化剂的稳定性和催化活性。

发明内容

本发明的目的在于提供在碱性条件下表现出优异析氢性能的钌、氮共掺杂多孔碳催化剂的制备方法。

本发明为实现目的，采用如下技术方案：

一种钌、氮共掺杂多孔碳催化剂的制备方法，其特点在于：以钌盐和乙二胺四乙酸盐为原料，在水中混合均匀并室温搅拌反应，然后真空干燥，得到钌配合物前驱体；将所述钌配合物前驱体在惰性气体条件下高温热解，再经酸洗、干燥，制得钌、氮共掺杂多孔碳催化剂。

作为优选，所述的钌盐为三氯化钌，所述的乙二胺四乙酸盐(用于作为配体和碳源)为四水合乙二胺四乙酸四钠。

作为优选，所述钌盐和所述乙二胺四乙酸盐的摩尔比为1:5～20，优选为1:8～12。

作为优选，所述搅拌反应的时间为0.5～1h。

作为优选，所述惰性气体为氮气或者氩气。

作为优选，所述高温热解的温度为750℃～950℃(温度优选为800℃～900℃)，时间为1～4h。

作为优选，所述酸洗是将材料加入到浓度为0.05～1M的硫酸中搅拌12h，优选为浓度为0.1～0.5M的硫酸。

本发明按上述制备方法所获得的钌、氮共掺杂多孔碳催化剂中，氮质量掺杂量为3％～4％、钌质量掺杂量为15％～25％，其可以作为电化学析氢催化剂在电化学反应中应用，且其在碱性条件下有优异的电化学析氢效果和稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明首次以含乙二胺四乙酸盐配体的钌配合物为前驱体制备了钌、氮共掺杂多孔碳催化剂，由于配体的螯合作用可以锚定钌原子，提高钌的分散度，限制钌原子的团聚，从而得到较小地钌纳米簇，提高了催化剂的活性和稳定性。