[发明专利]一种催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种催化剂及其制备方法与应用，所述催化剂包括有纳米Ru/M复合材料，所述纳米Ru/M复合材料的原料包括有钌源和M源，所述M包括有Co、Fe、Ni或Cu中至少一种。所述催化剂成本低廉，制备简单，使得制氢成本降低，且HER性能较优，有利于实现大范围工业化应用。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其是涉及一种催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

氢能源是环境友好的清洁能源，具有广阔的市场发展前景。电催化剂析氢反应(HER)是一种有效地制备氢气的手段。电解水制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段。电解水过程中，HER的效率受溶液中H⁺浓度的影响。一般来说，酸性电解质，如硫酸溶液，HER的活性大约为碱性电解液的2到3个数量级。然而，酸性电解水过程中的电催化剂为高成本的Ir/Ru基材料，Ir/Ru基材料的使用，导致了整个电解水制氢系统的成本居高不下。过渡族金属在碱性电解液中有着非常突出的电解水阳极反应性能，但其在酸性溶液中极其溶液溶解，进而失活。因此，开发碱性HER催化剂对于制造低成本、可工业化产品而言具有非常大的吸引力。目前碱性HER过程中效率较好的催化剂是商业Pt/C催化剂，然而Pt在地壳中储量低，同时价格高，使得制氢成本高，难以实现大范围工业化应用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种催化剂，具有成本低廉的特点。

本发明还提供了一种催化剂的制备方法。

本发明还提供了上述催化剂的应用。

本发明的第一方面，提出了一种催化剂，包括有纳米Ru/M复合材料，所述纳米Ru/M复合材料的原料包括有钌源和M源，所述M包括有Co、Fe、Ni或Cu中至少一种。

根据本发明实施例的一种催化剂，至少具有以下有益效果：Ru有着与Pt接近的性质，其价格约为Pt的1/5。本发明公开的催化剂含有Ru和低成本的金属元素(包括有Co，Fe，Ni，Cu)，Co，Fe，Ni，Cu不仅在地壳中储量较高，而且价格低廉，易于获取，因此，本发明公开的催化剂-纳米Ru/M复合材料成本低廉，使得制氢成本降低，且HER性能较优，有利于实现大范围工业化应用。

在本发明的一些实施方式中，所述催化剂为纳米片状Ru/M复合材料。

通过上述实施方式，纳米片状催化剂有着大的比表面积与原子利用率，有效保证在反应过程中催化剂与电解液能得到足够接触，大幅度地提升了碱性HER性能。其中，本发明中的纳米片状Ru/M复合材料为Ru/M的合金材料。

在本发明的一些实施方式中，所述钌源包括有钌盐。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述钌盐包括有卤化钌。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述钌盐包括有氯化钌。

在本发明的一些实施方式中，所述M源包括有M盐。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述M盐包括有M的硝酸盐、硫酸盐或醋酸盐中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述M为Co。

通过上述实施方式，本发明公开的纳米Ru/Co复合材料，不仅具有价格低廉，而且具有突出的HER性能，优秀的催化效果，其性能远优于商业的Pt/C催化剂效果。具体为，通过合适的Ru/Co配比，本发明的成本约为商业Pt/C催化剂的1/40，其单位原子电解水效率约为商业Pt/C催化剂的2倍，绝对性能约为5倍。

在本发明的一些实施方式中，所述M源包括有硝酸钴、硫酸钴或醋酸钴中的至少一种。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述M源包括有硝酸钴的水合物、硫酸钴的水合物或醋酸钴的水合物中的至少一种。