[发明专利]氧、氮掺杂碳包覆钌-M合金纳米颗粒催化剂及制备方法和应用方法

说明书

本发明涉及一种氧、氮掺杂碳包覆钌‑M合金纳米颗粒催化剂及制备方法和应用方法，氮、氧掺杂碳包覆钌‑M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂包括载体以及载体包覆的活性组分；所述载体为片状氮、氧掺杂的碳；所述活性组分为钌‑M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒；所述钌‑M合金纳米颗粒粒径0.5‑100nm。本发明还提供了所述氮、氧掺杂碳包覆钌‑M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂的制备方法及应用。本发明提供的氮、氧掺杂碳包覆钌‑M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂拥有优异的电解水产氢性能、相对较低钌金属含量、以及优异的稳定性。

技术领域

本发明属于纳米材料的制备与应用领域，涉及一种氧、氮掺杂碳包覆钌-M合金纳米颗粒催化剂及制备方法和应用方法。

背景技术

电解水产氢是目前解决环境问题与能源问题的重要途经之一，可以实现电能与氢能的转化，可以与太阳能、风能等能源进行优势互补，解决其他能源的区域局限问题，以解决区域性、季节性、时段性电能供需不平衡和过剩现象。电解水析氢反应的能量势垒大和反应动力学慢，极大地限制了电催化水裂解制氢的发展。因此，电催化剂是促进电解水析氢反应(HER)的关键技术。铂基催化剂是最优秀的电解水催化剂，但是铂(Pt)价格贵且储量少。目前，大量研究表明钌(Ru)可作为Pt的替代材料，虽然一些Ru基催化剂具备高效、稳定性好、金属含量低以及金属更廉价等特点，但是依然可以通过M(M：铁、钴、镍)金属掺杂等方法，进一步降低金属钌(Ru)使用量以降低催化剂生产成本，进一步提高催化剂催化活性以提高析氢效率，进一步改善结构以提高稳定性。因此，我们开发了一种氮、氧掺杂碳包覆钌-M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂，其拥有优异的催化活性、较低Ru含量，以及优异的稳定性。

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，本发明提出一种氧、氮掺杂碳包覆钌-M合金纳米颗粒催化剂及制备方法和应用方法，提供一种氮、氧掺杂碳包覆钌-M(M：铁、钴、镍)合金纳米颗粒催化剂，在提高电解水制氢效率的同时降低Ru的含量以及获得优异的稳定性。

技术方案

一种氧、氮掺杂碳包覆钌-M合金纳米颗粒催化剂，其特征在于包括载体以及载体包覆的活性组分；所述载体为片状氮、氧掺杂的碳；所述活性组分为钌-M合金纳米颗粒；其中：O质量含量为5％-12％，N质量含量为1％-7％，Ru质量含量为1％-10.4％，钌-M合金中摩尔比为Ru﹕M＝1﹕1～3.5。

所述钌-M合金中Ru与M以0价态存在；所述O以C-O、C＝O和金属O形式存在，N以吡啶N、吡咯N和金属N形式存在。

所述钌-M合金纳米颗粒中的M为铁、钴或镍。

所述钌-M合金纳米颗粒粒径0.5-100nm。

一种所述氧、氮掺杂碳包覆钌-M合金纳米颗粒催化剂的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将0.01-100mg的单宁酸加入到30-120mL的蒸馏水中，再加入钌前驱体溶液0.01-6mL与0.01-800mg的M前驱体，搅拌20-120min后加入200-600mg的石墨相氮化碳g-C₃N₄，并超声处理0.5-5h，之后将混合液在40-80℃条件下蒸干溶剂；剩余固体在惰性气体氛围下，在300-400℃下，保温1-4h，得到Ru-M/g-C₃N₄固体；