[发明专利]一种钌单原子/石墨炔膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种钌单原子/石墨炔膜及其制备方法与应用，解决了目前电解水制氢催化剂价格高且容易发生催化剂中毒现象的问题。本发明提供的钌单原子/石墨炔膜由通过化学稳定作用结合的钌单原子和石墨炔膜组成。制备方法包括如下步骤：以石墨炔膜为载体，将制备好的石墨炔浸渍在含钌化合物的水溶液和硫酸中，通过电还原进行还原反应，得到钌单原子/石墨炔结构。该方法工艺简便，绿色环保，钌单原子/石墨炔材料具有良好的反应稳定性，由上所述的钌单原子/石墨炔膜因其具备高度暴露和分散的催化活性位点，使其具备较好的电解水制氢性能，亦可望作为一种高效的新型电解水制氢催化剂材料。

技术领域

本发明涉及化学及材料领域，具体涉及到一种钌单原子/石墨炔膜及其制备方法与应用。

背景技术

电解水制氢技术是未来获得绿色能源氢能源的有效途径。而铂作为高效的电解水制氢催化剂，其价格高昂，地球储量较少，容易发生催化剂中毒现象，不利于氢能源与氢经济的和谐发展，因此探索高效的非贵金属电催化剂，对于氢能源的再生与高效合理利用具有深远的意义。

碳材料具有优异的物化性质，金属单原子在碳材料表面的修饰在纳米科学与技术中有着重要的应用。石墨炔的成功制备(Y.L.Li，et al. Chem.Commun.，2010，46，3256-3258.)，使得碳材料“家族”又诞生 了一个新的成员。石墨炔具有特殊的电子结构，大的比表面和多孔结构，优良的化学、光和热稳定性以及电学性能。金属单原子在催化方面，尤其在电解水方面的应用研究已受到广泛的关注(S. Guo，Adv. Energy Mater. 2020, 10,1903120. Y. Li, Chem. Soc. Rev., 2020,49, 2215-2264)。二维碳基材料负载单原子催化剂因其低维度结构，高度暴露的活性位点在电解水制氢催化剂的应用上，展现了较为优越的性能，可望成为一种高效的新型电解水制氢催化剂材料。

发明内容

本发明提供了一种钌单原子/石墨炔膜(以下简称Ru-SACs/GDY)及其制备方法与应用，解决了目前电解水制氢催化剂价格高且容易发生催化剂中毒现象的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种钌单原子/石墨炔膜，由通过化学稳定作用结合的钌单原子和石墨炔膜组成，所述钌单原子分布在所述石墨炔膜表面。

所述钌单原子的粒径为0.25-0.5 nm，所述钌单原子与所述石墨炔膜的质量比为1∶100。

所述钌单原子/石墨炔膜的晶格条纹间距为0.32 nm；所述石墨炔膜的晶格条纹间距0.365 nm。

一种钌单原子/石墨炔膜的制备方法，其步骤如下：以石墨炔膜为载体，将石墨炔膜浸渍在浓度为1-5 mol/L的含钌化合物的水溶液以及浓度为0.2-0.8 mol/L的硫酸中，所述含钌化合物与所述硫酸的质量比为1：125-4:125，通过电还原进行还原反应，所述电还原反应中电流密度为1-10 mA/cm²，电流持续时间为40-200s，反应完毕得到所述钌单原子/石墨炔膜。

所述电流密度为10 mA/cm²，电流持续时间为40 s。

所述含钌化合物与所述硫酸的质量比为1：125。

所述含钌化合物的水溶液浓度为2mol/L，硫酸浓度为0.5 mol/L。

所述含钌化合物选自氯化钌和氯钌酸中的至少一种。

以上述本发明提供的钌单原子/石墨炔膜为活性成分的电催剂，以及该钌单原子/石墨炔膜在电催化水裂解产氢中的应用，也属于本发明的保护范围，将钌单原子/石墨炔膜放入去离子的水中，电解电压为220V，析氢反应在电流密度为10 mA/cm²的过电位为44mV，析氧反应在电流密度为10 mA/cm²的过电位为531 mV。

本发明的有益效果是：