[发明专利]导电纤维素滤纸负载Ru纳米颗粒复合催化剂及制备方法

说明书

本发明提供了导电纤维素滤纸负载Ru纳米颗粒复合催化剂及制备方法，属于能源材料技术领域，该方法包括如下步骤：将定性滤纸依次浸入到硫酸镍溶液和硼氢化钠溶液中，之后清洗、干燥，得到负载有镍单质的纤维素滤纸；将负载有镍单质的纤维素滤纸浸入到无水硫酸钠、琥珀酸钠、二甲基氨硼烷、次亚磷酸钠和硫酸镍的混合溶液A中0.5～1.5h，之后清洗、干燥，得到导电纤维素滤纸；将导电纤维素滤纸作为工作电极，在三电极体系下，使用氯化钌的水溶液进行电沉积，所得产物清洗后干燥，得到的导电纤维素滤纸负载Ru纳米颗粒复合催化剂展现出较低的过电位，导电性好，是一种可作为电解水阳极析氧反应的自支撑催化剂。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体为导电纤维素滤纸负载Ru纳米颗粒复合催化剂及制备方法。

技术背景

随着传统化石燃料系统的过渡消耗引发的能源危机和环境问题越演越烈，众多学者致力于寻找新的能源体系。氢气具有较高的热值，且在使用过程中只产生水，对环境无害，被认为是最有前景的清洁能源。电解水制备氢气作为新型能源转化技术受到广泛关注。电解水包括阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应，其中阳极析氧反应是一个四电子转移过程，存在严重的动力学和热力学迟缓过程，导致过电位大，反应效率低，严重阻碍了电解水的进一步发展。现阶段，OER最活跃的催化剂是贵金属钌(Ru)和铱(Ir)及它们的氧化物。然而，昂贵的价格和稀缺性使得贵金属的商业化应用受到限制。为了克服这一困难，适当降低催化剂中贵金属的用量是一个优选的策略。

纳米级贵金属催化剂的发展不仅提高了OER性能，同时降低了贵金属的使用成本。这些催化剂需使用一些稳定的支撑物来锚定贵金属元素，从而降低贵金属的团聚现象，充分暴露催化剂的活性位点。常见的支撑材料主要有氮掺杂碳材料、金属氧化物、金属有机框架和层状双氢氧化物。这些支撑材料均为粉末材料，使用的过程中需要添加导电粘结剂粘附在玻碳电极表面电化学活性面积受限，且使用过程中活性材料易剥落，稳定性较差。相比较而言，自支撑催化剂具有以下优点：(1)可以避免粘结剂和额外导电添加剂的使用；(2)避免纳米催化剂材料的团聚；(3)使催化剂的活性位点充分利用。这使得自支撑催化剂受到了广泛的关注。常见的支撑材料主要有泡沫镍、钛箔、铜箔、铁箔等金属材料和碳纳米管、氧化石墨烯、碳纤维等碳材料。尽管这些衬底具有良好的导电性和机械性能，但它们也有一些固有的缺点，如成本高、柔韧性差、重量重等问题。因此，将该基质扩展为廉价、丰富、柔韧、环保的基质将具有极大的实用价值和环境效益。

从获得基底的难易程度而言，纤维素无疑是最佳的候选材料。这类材料通常是绝缘的，不能提供电路和电催化剂之间的电子传导通路，严重限制了其在电催化领域的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了导电纤维素滤纸负载Ru纳米颗粒复合催化剂及制备方法，得到的析氧反应催化剂以纤维素为基底，展现出较低的过电位，导电性好，是一种可作为电解水阳极析氧反应的自支撑催化剂。

本发明是通过以下技术方案来实现：

导电纤维素滤纸负载Ru纳米颗粒复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将定性滤纸依次浸入到硫酸镍溶液和硼氢化钠溶液中，之后清洗、干燥，得到负载有镍单质的纤维素滤纸；

将负载有镍单质的纤维素滤纸浸入到无水硫酸钠、琥珀酸钠、二甲基氨硼烷、次亚磷酸钠和硫酸镍的混合溶液A中0.5～1.5h，之后清洗、干燥，得到导电纤维素滤纸；

将导电纤维素滤纸作为工作电极，在三电极体系下，使用氯化钌的水溶液进行电沉积，所得产物清洗后干燥，得到导电纤维素滤纸负载Ru纳米颗粒复合催化剂。

优选的，所述的定性滤纸先在去离子水中超声，之后转移至丙酮中浸渍，干燥后再浸入到硫酸镍溶液和硼氢化钠溶液中。

优选的，所述硫酸镍溶液的浓度为0.15～0.35M。

优选的，所述硼氢化钠溶液的浓度为0.4～0.6M。