[发明专利]负载钌的铁单原子修饰多孔碳纳米管的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了负载钌的铁单原子修饰多孔碳纳米管的制备方法及其应用，设计了氧配位单原子铁位点修饰的多孔碳纳米管，作为稳定钌团簇的有效载体，该催化剂在酸性和碱性介质中均表现出良好的析氢催化性能，HER动力学分析表明，具有单原子位点的缺陷底物可以显著提高Ru活性位点的本征活性，理论计算也证明CNT‑V‑Fe‑Ru具有优越的HER反应，这为金属‑基底上单原子界面相互作用的影响研究提供了一定的理论和实践参考，解决了在原子水平上充分调节金属‑基底界面的电子结构的问题。

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及负载钌的铁单原子修饰多孔碳纳米管的制备方法及其应用。

背景技术

基于水分子获得氢分子的电化学方法已经成为未来清洁能源技术的关键组成部分。高效、低成本的析氢催化剂对可再生电能驱动的水分解制氢技术的快速发展至关重要。迄今为止，Pt基催化剂表现出最优异的HER性能，但它的储量稀少，并且价格昂贵，这在很大程度上限制了其大规模的商业应用。钌基材料不仅具有与铂类似的物理和化学性质，还能实现对电子结构的高度可调节，因此可作为铂基材料的潜在替代品，成本相对较低的钌基材料受到广泛关注。然而，当前如何有效提升钌基催化剂的本征活性仍面临着重大挑战。特别是，Ru的高结合能往往会导致其在催化过程中发生不可逆的团聚和结构坍塌。此外，Ru位点的H吸附强度过强，阻碍了解吸步骤，从而导致HER性能下降。

碳材料具有优异的导电性、大的比表面积和高度可调性的结构特点，已被广泛应用于电催化剂的制备。并且将多孔结构和杂原子(N、P、O等))引入到碳材料中可有效增加空位缺陷的数量，从而固定高分散的活性位点。然而，在原子水平上通过可实现的调控策略充分调节金属-基底界面电子结构的设想仍存在相当大的挑战。近年来一些文献报道了单原子修饰载体负载的铂族金属纳米颗粒对电催化性能的协同增强。然而，对于基底上的单原子位点与金属活性位点之间的界面相互作用机理的解释还不够深入，而对于缺陷对本征活性的影响的认识在以往的研究中也很少得到证实。

发明内容

本发明提供了一种负载钌的铁单原子修饰多孔碳纳米管的制备方法及其应用，解决了现有技术存在催化材料昂贵、性能不佳的问题。

为了解决该技术问题，本发明提供了如下技术方案：

负载钌的铁单原子修饰多孔碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：

S1，将Fe(NO₃)₃在搅拌下完全溶解到乙醇溶液中，然后，在超声处理下将多壁碳纳米管添加到上述溶液中；之后，将氨水加入到混合物中，然后在水浴中加热搅拌干燥，得到的粉末记为CNT-Fe-OH；

S2，CNT-Fe-OH在空气中高温加热，所得样品记为CNT-V-Fe-Fe₂O₃；

S3，将CNT-V-Fe-Fe₂O₃分散在浓盐酸中，将混合物倒入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高温反应釜中，在烘箱中加热去除Fe₂O₃；待烘箱冷却至室温后，分别用去离子水和乙醇洗涤，离心，干燥，得到CNT-V-Fe；

S4，将CNT-V-Fe和RuCl₃·3H₂O分散到由蒸馏水、异丙醇和Nafion粘结剂组成的溶液中，超声处理，然后将分散液滴到玻璃碳电极表面；自然干燥后，电极材料在0.1～-0.4Vvs.RHE电位区间进行线性扫描，制备CNT-V-Fe-Ru。

优选的，所述步骤S1中Fe(NO₃)₃和乙醇溶液按摩尔mmol体积ml比1:150计算；多壁碳纳米管和乙醇溶液按质量mg体积mL比20:3计算；所述氨水与乙醇的体积比为1:15。

优选的，所述步骤S1中水浴温度为60℃。