[发明专利]钴掺杂钌基催化剂、其制备方法及作为酸性氧析出反应电催化剂的应用

说明书

本发明提供了一种钴掺杂钌基催化剂的制备方法，本发明首先制备出钌金属配合物与钴金属配合物均匀混合的前驱体，之后将前驱体在保护性气氛下碳化得到中间产物，最后将中间产物在空气中控制氧化，以得到钴掺杂钌基催化剂，在控制氧化过程中，钌钴合金表面会形成钌钴金属氧化物薄层，有效提高了催化剂的稳定性，且该核壳结构负载于导电碳载体上，使得到的钴掺杂钌基催化剂活性高、寿命长，同时制备方法简单，使用非贵金属钴掺杂贵金属钌，减少了钌的用量，降低了催化剂的生产成本，原料易获得，有利于大规模生产，在酸性氧析出反应中有较大的应用潜力。

技术领域

本发明属于电催化剂技术领域，尤其涉及一种钴掺杂钌基催化剂、其制备方法及作为酸性氧析出反应电催化剂的应用。

背景技术

全球能源危机及日趋严重的环境污染问题，促使人们寻找可替代化石燃料的可再生能源。使用风能、太阳能等可再生能源全解水生产氢气，是一种极具吸引力的可持续生产氢气的方式。在全解水过程中，相比于阴极上发生的氢析出反应，阳极上发生的氧析出反应需要更高的能量，因此大量的努力已经投入到氧析出催化剂的开发过程中。

与碱性条件相比，在酸性条件下的氧析出反应更具有优势，因为酸性电解质具有较高的离子电导率和较少的不利反应。而且，商用的阳离子交换膜，例如Nafion，需要氧析出反应在酸性条件下进行。然而，大多数已知的氧析出电催化剂不能在苛刻的酸性条件下工作，因为金属化合物在氧化电位且酸性条件下，易溶解，造成催化剂结构被破坏，进而失去催化活性。因此，为了加快清洁能源——氢能的应用，需要开发高效且稳定的用于酸性氧析出反应的电催化剂。

在众多用于酸性氧析出反应的电催化剂中，铱基和钌基催化剂占到了较大比例。相对于铱基催化剂，钌基催化剂价格便宜，活性高。但是钌基催化剂稳定性差，寿命短，限制了其实际应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种钴掺杂钌基催化剂、其制备方法及作为酸性氧析出反应电催化剂的应用，该钴掺杂钌基催化剂催化酸性氧析出反应具有较高的活性与稳定性。

本发明提供了一种钴掺杂钌基催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1)将钌盐、钴盐、吡啶类配体与锂盐在N，N-二甲基甲酰胺中混合加热反应，然后加入丙酮，得到前驱体；

S2)将所述前驱体在保护气氛中煅烧碳化，得到中间产物；

S3)将所述中间产物在氧化性气氛中焙烧氧化，得到钴掺杂钌基催化剂。

优选的，所述钌盐选自氯化钌；所述钴盐选自氯化钴；所述吡啶类配体选自联吡啶；所述锂盐选自氯化锂。

优选的，所述钌盐与钴盐的摩尔比为(1～9)：(1～9)；所述钌盐与钴盐的总摩尔数为钌盐、钴盐、吡啶类配体与锂盐总摩尔数的5％～15％；所述吡啶类配体与锂盐的摩尔比为(1～3)：(5～8)。

优选的，所述钌盐与钴盐的总摩尔数为钌盐、钴盐、吡啶类配体与锂盐总摩尔数的10％；所述吡啶类配体与锂盐的摩尔比为2：7。

优选的，所述步骤S1)中混合后溶液中钌盐、钴盐、吡啶类配体与锂盐总摩尔浓度为1～2mol/L。

优选的，所述步骤S1)中加热反应的温度为160℃～200℃；所述加热反应的时间为5～15h；所述加热反应在保护气氛中进行；

所述步骤S2)中煅烧碳化的温度为600℃～1000℃；所述煅烧碳化的时间大于等于0.5h。

优选的，所述焙烧氧化的温度为200℃～500℃；所述焙烧氧化的时间大于等于0.5h；所述氧化性气氛为空气。

优选的，所述煅烧碳化的升温速率与焙烧氧化的升温速率各自独立地为5～15℃/min。