[发明专利]一种(Ru-P)@Pt单原子合金材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种(Ru‑P)@Pt单原子合金材料及其制备方法与应用。本发明公开了一种(Ru‑P)@Pt单原子合金材料具有铂和钌双活性位点，且双活性位点具有协同效应，使得(Ru‑P)@Pt单原子合金材料具有高效的电解水析氢性能和耐久稳定性，在电催化领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种(Ru-P)@Pt单原子合金材料及其制备方法与应用。

背景技术

在过去的十年，由于锂电池技术和产业的突飞猛进，氢燃料电池被过度轻视。而最近一两年锂电池行业遇到一些瓶颈，氢燃料电池又重新引起了主机厂的关注。如果储氢系统压力足够大，小体积的液态氢可以达到很高的续航，除此之外，氢气也是最洁净的能源，氢燃料电池的反应产物只有水。氢气可以大量并长期储存电能，也是一种可以长途运输的能量载体。另外，作为燃料电池中的燃料又可以发电和驱动汽车。将来，期望利用源自可再生能源的氢气来建立从生产到使用的无二氧化碳(CO₂)的氢气供应系统。电化学水分解产生的氢气可实现电能与氢气之间的能量转换，为可持续氢经济提供更大可能性。而电化学析氢反应(HER)在清洁、可持续的氢能源中扮演重要的角色。一般来说，HER既可以在酸性介质中发生，也可以在碱性介质中发生。但是，酸性HER催化剂的应用受限于昂贵的质子交换膜，以及对电极上缓慢的酸性析氧反应，碱性HER则可以避免这些障碍。与酸性条件不同，碱性溶液中缺乏HER反应所需的H⁺离子，因此需要增加一步额外的水分子解离步骤(waterdissociation step)，导致反应动力学降低，即使使用一直被认为最活泼的铂催化剂，动力学也会比在酸中低两个数量级。因此，获得高效的碱性HER催化剂仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种(Ru-P)@Pt单原子合金材料及其制备方法与应用，该材料具有铂和钌双活性位点，且双活性位点具有协同效应，使得(Ru-P)@Pt单原子合金材料具有高效的电解水析氢性能和耐久稳定性。

本发明提供了一种(Ru-P)@Pt单原子合金材料，包括：碳纳米管和负载在所述碳纳米管表面的(Ru-P)@Pt单原子合金；

所述(Ru-P)@Pt单原子合金包括：钌原子、磷原子和铂纳米粒子；

磷原子和铂原子负载在铂纳米粒子表面。

本发明中，(Ru-P)@Pt单原子合金材料中不同原子之间相互协同，提高催化活性。本发明中，所述(Ru-P)@Pt单原子合金材料中钌原子、磷原子和铂原子的质量比为(3～12)：(1～5)：(1～4)，优选为3:1:1，6:1:2，12:5:4，3:2:1。

本发明还提供了一种(Ru-P)@Pt单原子合金材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将碳纳米管溶液加入钌源溶液中，进行加热回流，然后加入还原剂溶液，进行还原反应，得到负载有无定形钌纳米粒子的碳纳米管；

步骤2：对负载有无定形钌纳米粒子的碳纳米管进行研磨，进行热处理，得到负载有定形的钌纳米粒子的碳纳米管；

步骤3：对所述负载有定形的钌纳米粒子的碳纳米管在磷源的存在下进行热处理，得到负载有钌纳米粒子和磷纳米粒子的碳纳米管；

步骤4：将所述负载有钌纳米粒子和磷纳米粒子的碳纳米管的溶液与铂源混合，再加入还原剂进行反应，得到(Ru-P)@Pt单原子合金材料。

本发明P原子和Pt单原子掺杂在Ru纳米粒子上，修饰纳米粒子，使得Ru的分散性好，从本发明TEM的结果可以看出Ru纳米粒子均匀分散在碳纳米管上。同时不同原子之间的协同作用可以提高催化活性。

本发明利用负载在碳纳米管上Ru纳米粒子和Pt单原子协同催化作用，构筑双活性位点，此外，P的电负性很大，容易与金属发生成键并产生电荷转移。同时，P原子半径很小，掺杂在晶格里面而不会改变原来的晶格构型。