一种氮化钛负载的钌基催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于新能源新材料领域，具体涉及一种氮化钛负载的钌基催化剂及其制备方法和应用。所述催化剂采用自制超长氮化钛纳米棒作为载体，钌为活性金属组分，由于强金属载体相互作用，还原温度的升高使得氮化钛逐渐覆盖钌纳米颗粒，覆层对钌纳米粒子的包裹作用，使得制备的催化剂表现出超高的稳定性，同时增加的钌

【技术实现步骤摘要】
一种氮化钛负载的钌基催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于新能源新材料领域，具体涉及一种氮化钛负载的钌基催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]发展新的能源结构、寻找新的清洁能源或可再生能源是我们面临的重要问题之一。氢能作为一种资源丰富、高能量密度、无二次污染的“绿色能源”，被认为是后石油时代解决能源危机和环境危机的理想能源之一。目前，世界上超95％的氢气通过化石燃料重整制取，但生产过程有二氧化碳气体的排放；尽管只有4％～5％的氢气来源于电解水，但电解水制氢生产过程没有二氧化碳排放，且操作简单，制氢纯度高。考虑到氢能产业发展初衷是零碳或低碳排放，因此电解水制备氢气无疑是未来能源产业的发展方向。质子交换膜高昂的价格使得碱性电解水的发展迫在眉睫。
[0003]钌基催化剂由于其固有的高活性和相对较低的价格，是析氢反应的优秀候选催化剂。通过优化催化剂的结构，可以提高钌基催化剂的质量活性，甚至超过最先进的商业铂碳(CN111906327A)。然而，由于贵金属钌的高表面能，催化剂仍面临着活性金属颗粒容易团聚的挑战，导致析氢反应的催化性能和稳定性较差。因此，寻找合适载体以进一步提高钌基催化剂在高效析氢反应中的活性和稳定性至关重要。
[0004]利用强金属载体相互作用是实现分散和固定金属最有效的方法之一(CN114950532A)。由于强金属载体相互作用的存在，载体会迁移并封装钌纳米颗粒，大大提高催化剂的稳定性。同时，强金属载体相互作用可以改变钌粒子的电子结构，进一步调节其催化活性和选择性。但强金属载体相互作用通常发生在可还原的金属氧化物(如二氧化钛、氧化铈和氧化锌)负载的催化剂中，但这些金属氧化物的导电性较差。因此，探索高导电性载体以实现电催化体系中的强金属载体相互作用，提高材料的催化活性和稳定性至关重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种氮化钛负载的钌基催化剂，并提供了其制备方法，该催化剂合理利用强金属载体相互作用的原理，有望在在碱性电解水实验中获得高的催化活性和反应稳定性，而且制备工艺简单，原料廉价易得。为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]一种氮化钛负载的钌基催化剂，采用自制超长氮化钛纳米棒作为载体，钌为活性金属组分，所述钌的负载量为0.1
‑
10％，形成的钌纳米粒子的粒径为0.5
‑
20nm。
[0007]上述的一种氮化钛负载的钌基催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将某晶型二氧化钛、氢氧化钠按照一定的比例准确称取；将二氧化钛、氢氧化钠与一定量超纯水在常温下温磁力搅拌30min，使得氢氧化钠的浓度为10mol/L；搅拌结束后将体系移入水热反应釜中，在适当温度进行水热反应，再自然降至室温；
[0009](2)将步骤(1)所得反应产物过滤，用超纯水洗涤多次，将固体置于60℃下真空干燥6h；干燥的固体置于0.1mol/L盐酸溶液中，静置一段时间进行离子交换；
[0010](3)将步骤(2)所得反应产物过滤，用超纯水洗涤多次，将固体置于60℃下真空干燥6h；干燥的固体置于马弗炉中，在空气氛围下500℃焙烧1h；将焙烧的固体置于管式炉中，在800℃、流速为60mL/min的氨气中下焙烧1h；
[0011](4)称取0.2g步骤(3)所得产物于不同量0.16mg/mL浓度三氯化钌溶液，与搅拌磁子一同加入烧杯中，在400r/min转速下常温搅拌12h，置于60℃水浴中搅拌6h直至搅干；
[0012](5)将步骤(4)所得反应产物置于管式炉中，在10vol％H2/Ar氛围、适当温度下焙烧2h，得最终产物。
[0013]优选的，所述步骤(1)中，所选二氧化钛的晶型为金红石、锐钛矿、板钛矿中的任意一种或几种。
[0014]优选的，所述步骤(1)中，二氧化钛与氢氧化钠的摩尔比为1：2
‑
20。作为进一步的优选，二氧化钛和氢氧化钠摩尔比为1：20。
[0015]优选的，所述步骤(1)中，水热反应的温度为160
‑
220℃，水热时间为24
‑
72h。作为进一步的优选，控制单一变量调控，优选为水热温度200℃，水热时间48h。
[0016]优选的，所述步骤(2)中，离子交换的时间为0
‑
36h；若离子交换时间过短，新沉淀的α
‑
钛酸含有较多的羟基，较活泼，使其可溶于酸；放置陈化一段时间的β
‑
钛酸，羟基被氧基取代，不活泼以产生固体沉淀，但陈化时间太久造成时间浪费；因此，作为进一步的优选，离子交换时间为24h。
[0017]优选的，所述步骤(4)中，三氯化钌的中钌的质量分数占比为1％
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8％。作为进一步的优选，钌的质量分数占比4％。
[0018]优选的，所述步骤(5)中，焙烧温度为100
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700℃。作为进一步的优选，焙烧温度为300℃。
[0019]上述的一种氮化钛负载的钌基催化剂可以应用于碱性电解水析氢反应中。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0021]本专利技术的氮化钛负载钌基催化剂采用自制超长氮化钛纳米棒作为载体，钌为活性金属组分，由于强金属载体相互作用，还原温度的升高使得氮化钛逐渐覆盖钌纳米颗粒，覆层对钌纳米粒子的包裹作用，使得制备的催化剂表现出超高的稳定性，同时增加的钌
‑
氮化钛界面诱导更多的电子从钌纳米颗粒向氮化钛载体转移，影响了析氢反应催化活性；
[0022]本针对传统制备的钌基催化剂易团聚和稳定性差等问题，本专利技术基于金属载体相互作用的策略，开发一种高催化活性和反应稳定性的碱性电解水析氢催化剂，该催化剂制备过程简单可行，原料廉价易得，不仅提供了一种能够丰富高效、稳定贵金属钌基材料的制备方法，同时拓展了金属载体相互作用在电催化剂材料设计与利用方面的潜力。
附图说明
[0023]图1为实施例1提供的Ru/TiN
‑
300的XRD谱图；
[0024]图2为实施例1提供的Ru/TiN
‑
300的SEM图；
[0025]图3A为实施例1提供的Ru/TiN
‑
300的低倍TEM图；
[0026]图3B为实施例1提供的Ru/TiN
‑
300的高倍载体包裹粒径TEM图；
[0027]图3C为实施例1提供的Ru/TiN
‑
300的高倍粒径分布TEM图；
[0028]图4为实施例1提供的Ru/TiN
‑
300EDX元素分布图结果中的Ru、Ti、N元素的面分布图；
[0029]图5为实施例1
‑
6提供的Ru/TiN的碱性析氢极化曲线图；
[0030]图6为实施例1
‑
6提供的Ru/TiN的塔菲尔曲线图；
[0031本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化钛负载的钌基催化剂，其特征在于，所述催化剂采用自制超长氮化钛纳米棒作为载体，钌为活性金属组分，所述钌的负载量为0.1
‑
10％，形成的钌纳米粒子的粒径为0.5
‑
20nm。2.根据权利要求1所述的一种氮化钛负载的钌基催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将某晶型二氧化钛、氢氧化钠按照一定的比例准确称取；将二氧化钛、氢氧化钠与一定量超纯水在常温下温磁力搅拌30min，使得氢氧化钠的浓度为10mol/L；搅拌结束后将体系移入水热反应釜中，在适当温度进行水热反应，再自然降至室温；(2)将步骤(1)所得反应产物过滤，用超纯水洗涤多次，将固体置于60℃下真空干燥6h；干燥的固体置于0.1mol/L盐酸溶液中，静置一段时间进行离子交换；(3)将步骤(2)所得反应产物过滤，用超纯水洗涤多次，将固体置于60℃下真空干燥6h；干燥的固体置于马弗炉中，在空气氛围下500℃焙烧1h；将焙烧的固体置于管式炉中，在800℃、流速为60mL/min的氨气中下焙烧1h；(4)称取0.2g步骤(3)所得产物于不同量0.16mg/mL浓度三氯化钌溶液，与搅拌磁子一同加入烧杯中，在400r/min转速下常温搅拌12h，置于60℃水浴中搅拌6h直至搅干；(5)将步骤(4)所得反应产物置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓丽，王欣，张立学，贲昊玺，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：