一种薄碳包覆钌\氧化钌纳米颗粒多孔结构催化剂的制备方法及应用

：本发明涉及酸性电解水阳极催化剂，具体涉及一种薄碳包覆钌\氧化钌纳米颗粒多孔结构催化剂的制备方法及应用。

背景技术

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背景技术：

1、通过光/电化学过程分解水将太阳能或电能转化为化学能来实现可持续能源的产生和存储，是能源结构调整中一个非常有应用前景的策略，受到了广泛的关注。作为水分解反应中重要半反应之一的析氧反应，由于涉及四电子反应过程，因而其本征反应动力学较缓慢，是整个水分解过程中的限速步骤；因此，发展一种高效电催化剂来提高析氧反应的动力学速率极其重要。

2、目前，电解水析氧反应使用的催化剂主要依赖于贵金属iro2，然而高昂的价格严重限制了其在电解水技术中的大规模的应用。ruo2相对于iro2而言，价格较为友好，同时具有较理想的电化学析氧活性，展现出替代iro2的巨大潜力，但是其电化学稳定性与后者仍存在一定的差距，存在较大的发展空间。对于电催化剂而言，载体在电子传导和物质传输过程起到了非常重要的作用，载体的正确选择会对催化剂本征活性起到相互促进的作用。因而通过简易策略设计具有独特微观结构的催化剂，并选择相匹配的载体至关重要，不仅可以实现电化学性能的最大化，同时可在一定程度降低使用成本，为催化剂的批量化制备和应用提供有利的技术支持。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的是提供一种薄碳包覆钌\氧化钌纳米颗粒多孔结构催化剂的制备方法及应用。

2、本发明是通过以下技术方案予以实现的：

3、一种薄碳包覆钌\氧化钌纳米颗粒多孔结构催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮分散于无水乙醇中，加入金属钌盐乙醇溶液，其中聚乙烯吡咯烷酮与金属钌盐的质量比为1:1～1:5，优选为1:1.86～1:3，搅拌0.5～3小时后，优选为1-2小时，继续加入吡咯，吡咯与乙醇溶剂的体积比为1:100～1:50，优选为1:100，继续搅拌0.5～2小时，优选为0.5-1小时后，加入过硫酸铵，过硫酸铵与吡咯的摩尔比为5:1～1:1，优选为25:17，继续搅拌直至溶剂挥发完全，转移至烘箱中80℃进行干燥，冷却后研磨成粉末，先在惰性气氛下进行热处理，温度范围为600～900℃，优选为700～800℃，热处理时间为2～4小时，待冷却后继续在空气中进行煅烧处理，煅烧温度范围为300～600℃，优选为500～600℃，煅烧时间为0.5～4小时，即得超薄多孔碳层包覆钌\氧化钌纳米颗粒催化剂。

4、优选地，聚乙烯吡咯烷酮的平均数均分子量分别为8000-58000。

5、特别地，聚乙烯吡咯烷酮为k16-18，k13-18，k23-27，k30，k29-32中至少一种。

6、优选地，金属钌盐为乙酸钌，氯化钌，碘化钌，水合五氯钌(iii)酸钾和三氯化六铵合钌中至少一种。

7、本发明还保护上述制备方法得到薄碳层包覆钌\氧化钌纳米颗粒多孔结构催化剂，薄碳层的厚度为3～7nm，纳米颗粒尺寸为2～10nm。

8、本发明还保护上述制备方法得到薄碳层包覆钌\氧化钌纳米颗粒多孔结构催化剂的应用，用于酸性介质下电解水析氧反应的催化。

9、本发明的有益效果如下：

10、1)本发明利用聚乙烯吡咯烷酮中吡咯烷酮基团对金属钌离子的强配位吸附作用，以及吡咯聚合后形成的薄层包裹作用，使得金属离子在后续惰性气氛下的热解过程中原位还原为均匀分布的金属纳米颗粒，聚乙烯吡咯烷酮和聚吡咯被高温碳化为石墨化碳包覆薄层，再经过进一步空气部分热解处理后，形成了薄碳层包覆钌/氧化钌物种的微观纳米结构催化剂。部分空气热解促使金属钌物种向氧化物种的转变，以及多孔结构的形成，不仅有利于活性物种的暴露，还可促进电催化过程中电子的传导和物质的传输。

11、2)采用本发明的技术方案制备得到的薄碳层包覆钌/氧化钌纳米颗粒形成的多孔结构催化剂，具有较高的电化学活性，可有效地降低贵金属的使用量，提高贵金属的利用效率；在酸性析氧反应中表现出优异的电化学活性，在电流密度为10ma cm-2时，过电位为262mv；在0.5m h2so4溶液中计时电位测试长达60小时后，过电位没有明显增加，表现出较好的电化学稳定性。

12、3)本发明提供的酸性电解水阳极催化剂的制备程序简单，成本较低，可实现批量制备。

技术特征：

1.一种薄碳包覆钌\氧化钌纳米颗粒多孔结构催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮分散于无水乙醇中，加入金属钌盐乙醇溶液，其中聚乙烯吡咯烷酮与金属钌盐的质量比为1:1～1:5，搅拌0.5～3小时后，继续加入吡咯，吡咯与乙醇溶剂的体积比为1:100～1:50，继续搅拌0.5～2小时，加入过硫酸铵，过硫酸铵跟吡咯的摩尔比为5:1～1:1，继续搅拌直至溶剂挥发完全，转移至烘箱中80℃进行干燥，冷却后研磨成粉末，先在惰性气氛下进行热处理，温度范围为600～900℃，热处理时间为2～4小时，待冷却后继续在空气中进行煅烧处理，煅烧温度范围为300～600℃，煅烧时间为0.5～4小时，即得超薄多孔碳层包覆钌\氧化钌纳米颗粒催化剂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮分散于无水乙醇中，加入金属钌盐乙醇溶液，其中聚乙烯吡咯烷酮与金属钌盐的质量比为1:1.86～1:3，搅拌1-2小时后，继续加入吡咯，吡咯与乙醇溶剂的体积比为1:100，继续搅拌0.5-1小时后，加入过硫酸铵，过硫酸铵跟吡咯的摩尔比为25:17，继续搅拌直至溶剂挥发完全，转移至烘箱中80℃进行干燥，冷却后研磨成粉末，先在惰性气氛下进行热处理，温度范围为700～800℃，热处理时间为2～4小时，待冷却后继续在空气中进行煅烧处理，煅烧温度范围为500～600℃，煅烧时间为0.5～4小时，即得超薄多孔碳层包覆钌\氧化钌纳米颗粒催化剂。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，聚乙烯吡咯烷酮的平均数均分子量分别为8000-58000。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，聚乙烯吡咯烷酮为k16-18，k13-18，

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，金属钌盐为乙酸钌，氯化钌，碘化钌，水合五氯钌酸钾和三氯化六铵合钌中至少一种。

6.权利要求1所述的制备方法得到薄碳层包覆钌\氧化钌纳米颗粒多孔结构催化剂。

7.根据权利要求6所述的催化剂，其特征在于，薄碳层的厚度为3～7nm，纳米颗粒尺寸为2～10nm。

8.权利要求6所述的催化剂的应用，其特征在于，用于酸性介质下电解水析氧反应的催化。

技术总结
本发明公开了一种薄碳包覆钌\氧化钌纳米颗粒多孔结构催化剂的制备方法及应用，利用聚乙烯吡咯烷酮中吡咯烷酮基团对金属钌离子的强配位吸附作用，以及吡咯聚合后形成的薄层包裹作用，使得金属离子在后续惰性气氛下的热解过程中原位还原为均匀分布的金属纳米颗粒，聚乙烯吡咯烷酮和聚吡咯被高温碳化为石墨化碳包覆薄层，再经过进一步空气部分热解处理后，形成了薄碳层包覆钌/氧化钌物种的微观纳米结构催化剂。本发明得到的催化剂具有较高的电化学活性和较好的电化学稳定性，可有效地降低贵金属的使用量，提高贵金属的利用效率。

技术研发人员：曾黎明,吴岱丰,周庆
受保护的技术使用者：广东省科学院资源利用与稀土开发研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15