[发明专利]一种无定形五氧化二钽负载钌电催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种无定形五氧化二钽负载钌电催化剂的制备方法，该方法包括：一、将三氯化钌水合物溶解于小分子醇中得到三氯化钌溶液；二、将五氯化钽粉末溶解于小分子醇中得到五氯化钽溶液，然后加入三氯化钌溶液并搅匀得到混合溶液；三、将混合溶液进行液相还原得到复合物；四、将复合物进行退火处理得到无定形五氧化二钽负载钌电催化剂。本发明以五氯化钽和三氯化钌为前驱体，以小分子醇为反应溶剂和还原剂，通过一步液相还原结合退火处理，使得五氧化二钽与钌晶体共生而且均匀分布并转化为无定形晶体，保留了无定形状态的催化活性位点，增强了电催化析氢活性，同时采用化学稳定性优异的五氧化二钽为基体，拓宽了电催化剂的应用范围。

技术领域

本发明属于电催化剂材料制备技术领域，具体涉及一种无定形五氧化二钽负载钌电催化剂的制备方法。

背景技术

氢气，作为一种理想的清洁能源，由于其具有超高的能量存储密度，目前已被公认为将来最有希望成为传统化石燃料的替代品。电化学分解水的析氢反应是生产高纯氢气的最环境友好方式。酸性体系中的析氢反应消耗溶液中大量存在的质子，而碱性体系中的析氢反应必须首先通过水分子在Volmer反应中的解离(H₂O+e^-+*→H_ads+OH^-)产生质子并形成吸附氢。吸附氢将通过解吸过程来释放氢分子(Heyrovsky步骤：H_ads+H₂O+e^-→H₂+OH^-+*)。然而，水分子解离及氢解吸过程中的高能垒限制了整个析氢反应的活性。缓慢的水分子解离过程导致析氢反应在碱性电解液中的动力学通常要比在酸性电解液中低两到三个数量级。因此，促进水分子的解离对提高碱性析氢反应的活性至关重要并且富有挑战性。

目前，铂基材料已被证实为析氢反应的最有效和稳定的电催化剂。然而，价格昂贵和资源稀缺限制了其大规模应用。因此，需要设计和开发价格低廉、来源广泛的析氢电催化剂。

作为价格最低廉的铂族金属，钌具有与铂相媲美的潜在的析氢活性，这是由于钌-氢(Ru-H)键的强度与铂-氢键(Pt-H)接近(约为65kcal/mol)。理论和实验结果已经证实，水分子在钌表面的解离能垒较低，这是由于水分子中的氧原子与钌原子之间有强的相互作用，说明钌作为一种催化剂组分，可以显著增强碱性析氢活性，同时降低成本。然而，钌具有相对较强的氢结合能，这将增加Tafel反应步骤的难度。为了最大化提高钌的析氢活性，使其与铂接近甚至更好，可以通过很多策略来实现，如材料设计、基底选择和电子结构调控。已有报道证实，钌的表面在氢结合过程中充当电子给体基底。此外，表面缺陷工程已被发现可以有效诱导电子从钌的体相转移至表面。因此，选择一个合适的富含缺陷的基底充当电子受体，将有效促进电子从钌转移至基底。这一过程将有效减弱氢在钌表面的结合，从而增强析氢活性。在过渡金属氧化物中，五氧化二钽(Ta₂O₅)是一种重要的半导体材料，其具有优良的导电性、热稳定性和化学稳定性。因此，它可以作为合适的基底用于碱性和酸性体系中。

目前已报道的钌基析氢电催化剂大部分是晶态钌(单质或化合物)负载在石墨碳或晶态过渡金属基底上。然而，无定形钌负载在无定形基底上用于析氢反应却鲜有报道。近期，短程原子有序的无定形电催化剂因其结构易变性和富缺陷等特点，使其有可能用于电催化分解水析氢。作为一种温和而有效的策略，无定形化提供了催化剂材料短程有序和原子缺陷来增加活性位点。与晶态催化剂相比，无定形催化剂有很多优势，如原子尺度上的结构易变性、化学同质性、富缺陷等。因此，结构和化学无序的无定形催化剂可以是整体有活性的，而相对应的晶态催化剂只有表面有活性。另外，结构易变性促使原始的非活性相在电催化过程中原位转变为活性相。

发明内容