[发明专利]一种多孔碳负载非晶态/晶态钌基高效析氢催化剂及其制备与应用

说明书

本发明提供了一种多孔碳负载非晶态/晶态钌基高效析氢催化剂及其制备与应用，涉及新能源材料及电化学催化领域。催化剂的制备包括以下步骤：1)多孔碳的制备；2)将多孔碳超声均匀分散在分散介质中形成悬浊液，与含三氯化钌和硼酸的水溶液均相或者双溶剂相混合，充分搅拌，实现硼酸钌在多孔碳载体中的均匀组装；3)组装了硼酸钌的多孔碳在保护气体氛中高温退火得到多孔碳负载非晶态/晶态钌基催化剂。运用本发明所得到的多孔碳负载非晶态/晶态钌基催化剂，在碱性条件下其催化析氢性能远高于商业铂碳材料，在酸性条件下其催化析氢性能也能与商业铂碳催化剂媲美，而且大大降低贵金属使用量。本发明提供的多孔碳负载非晶态/晶态钌基催化剂制备工艺简单、产率高、性能优异、成本低廉，可替代商业铂基催化剂，有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及新能源材料及电化学催化领域，特别涉及一种多孔碳负载非晶态/晶态催化剂的制备以及该催化剂在电解水析氢上的应用。

背景技术

随着石油、煤炭等传统化石能源的日益枯竭和环境污染的日益严重，氢(H₂)由于其便携性、高能效、无碳排放、无污染等优点，被认为是最清洁的可再生能源，是一种潜在的无限资源。然而，在发展氢能经济的过程中还存在许多问题需要解决，如制氢。传统的非再生能源(如煤、天然气、石油等)制氢不可避免地加剧温室气体排放，增加环境负担，而太阳能、风能或潮汐能等可再生能源驱动的水电解提供了更清洁、高效、可持续制备氢气的策略。

鉴于目前的情况，迫切需要探索高效、低成本的催化剂来替代基准的铂基电催化剂，以促进大型水电解中重要的析氢半反应的缓慢动力学。此外，还需要注意的是，铂在碱性介质中析氢反应(HER)的转化率比在酸性介质中低2-3个数量级。而一些非贵金属电催化剂，如过渡金属氧化物、氢氧化物、硫化物等，用于析氧反应(OER)和水电解半反应，在酸性条件下不稳定。因此，高效、稳定、低成本的析氢催化剂正朝着碱性和酸性条件下大规模水电解的实际应用方向发展。

在近年报道的析氢电催化剂中，钌基电催化剂因其价格低廉(仅为Pt价格的4％左右)、在碱性和酸性介质中都具有优异的耐腐蚀性以及与氢(约65kcal mol^-1)具有相似的键合强度而受到广泛关注。Baek等人报道了一种基于均匀分散在石墨烯纳米片上的Ru纳米颗粒的析氢催化剂，该催化剂在酸性和碱性电解质中的性能均优于Pt。Feng等人的研究团队开发了一种新型钌/氮掺杂石墨泡沫电催化剂，与一些已报道的电催化剂和铂催化剂相比，该催化剂在碱性溶液中表现出优异的电催化活性。这些研究证实了Ru在水解离和OH的化学吸附方面优于其他金属甚至Pt催化剂。尽管钌基电催化剂在析氢中显示出诱人的潜力，但在碱性和酸性介质中都能满足高活性和耐久性的材料仍然对催化剂设计提出了严峻挑战。

发明内容

本发明提供一种多孔碳负载非晶态/晶态钌基高效析氢催化剂及其制备与应用，该催化剂制备操作工艺简单，便捷可控，制备得到的多孔碳负载非晶态/晶态钌基催化剂在酸性和碱性溶液中都具有优异的析氢催化活性和耐久性，甚至优于商业Pt/C催化剂，在酸性和碱性水电解中有着很好的应用前景。

本发明主要采用如下技术方案实现：

一种多孔碳负载非晶态/晶态钌基高效析氢催化剂，所述催化剂为多孔碳均匀负载非晶体和晶态催化活性组分协同作用。

所述多孔碳为锌基沸石咪唑酯骨架为前驱体制备的多面体多孔碳。

所述非晶体和晶态催化活性组分为非晶体RuBx和晶态Ru催化活性组分。

所述非晶体RuBx和晶态Ru催化活性组分粒径为2-10nm。

一种多孔碳负载非晶态/晶态钌基高效析氢催化剂的制备方法，包括如下步骤：