[发明专利]二维片状多巴胺热解碳包覆钌纳米团簇催化剂及制备使用方法

说明书

本发明涉及一种二维片状多巴胺热解碳包覆钌纳米团簇催化剂及制备使用方法，载体为二维片状多巴胺热解碳，活性组分为金属钌纳米团簇；所述结构为：多巴胺热解产生的碳层包覆Ru纳米团簇；所述金属钌在合成过程中的盐酸多巴胺质量百分比为0.01％‑6％。多巴胺热解产生的碳层以及包覆于其中的Ru纳米团簇，得到的二维片状多巴胺热解碳包覆纳米团簇催化剂，该催化剂用于碱性条件下电解水制氢中。本发明二维片状多巴胺热解碳包覆纳米团簇催化剂，由二维片状载体多巴胺热解碳与活性中心钌纳米团簇组成，同时载体具有良好的导电性，活性中心充分地分散于载体中，活性位点暴露度高，且二维结构有利于电解质的传质扩散，从而实现优异地产氢效果。

技术领域

本发明属于纳米材料的制备与应用领域，涉及一种二维片状多巴胺热解碳包覆钌纳米团簇催化剂及制备使用方法。

背景技术

随着化石燃料不断消耗，能源危机和环境污染日益严峻，发展清洁的可再生的新能源是我们迫切需要解决的问题。氢因其能量密度高(120MJ kg^-1)、无污染、可再生等特点是化石燃料理想的替代品。相较于工业制氢，电化学水裂解技术通过电解水可以高效、低成本、可持续地生产高纯度氢气，为解决能源与环境问题提供了一种有效的方法。但是高过电位使得产氢过程非常困难，因此需要催化剂以最小过电位触发质子还原来增强析氢反应(HER)动力学。铂(Pt)和铂基材料是现在主流的HER催化剂，但是由于其价格昂贵而增加了HER成本。为此，大量研究工作致力于开发各种表现出高活性和高稳定性、且价格低廉的HER催化剂，主要方法有二：一是开发相对便宜的替代品，二是提高金属分散度从而减少金属用量同时增加暴露位点。钌(Ru)基纳米材料由于其经济上的优势(Ru比Pt便宜3倍)、良好的活性和稳定性，有望成为Pt基催化剂的替代品。同时碳基材料是良好的导电载体，可增加材料的导电性。因此，我们开发了一种二维片状多巴胺热解碳包覆纳米团簇催化剂，是一种高效稳定且便宜的高金属分散性的电解水产氢催化剂。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种二维片状多巴胺热解碳包覆钌纳米团簇催化剂及制备使用方法，解决Pt等催化剂高成本问题同时提高电解水制氢的反应效率。

技术方案

一种二维片状多巴胺热解碳包覆钌纳米团簇催化剂，其特征在于：载体为二维片状多巴胺热解碳，活性组分为金属钌纳米团簇；所述结构为：多巴胺热解产生的碳层包覆Ru纳米团簇；所述金属钌在合成过程中的盐酸多巴胺质量百分比为0.01％-6％。

所述金属钌纳米团簇粒径0.6-3.2nm。

一种制备所述二维片状多巴胺热解碳包覆钌纳米团簇催化剂的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：取单宁酸10-50mg和40-120mL蒸馏水混合溶解后，加入浓度为1mg/mL-10mg/mL的钌前驱体溶液0.01-6mL，然后搅拌20-120min，得到混合溶液；

步骤2：在混合溶液中加入300-500mg的石墨相氮化碳g-C₃N₄，超声处理1.5-4h得悬浊液，将悬浊液在油浴或水浴40-80℃条件下蒸干溶剂，并干燥得固体；

步骤3：将步骤2所得到固体在惰性气体氛围下，在200-500℃下，保温1.5-3h，得到g-C₃N₄负载Ru固体即Ru/g-C₃N₄固体；