一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球及其制备方法与应用，该制备方法以贵金属钌化合物和碳负载的过渡金属碳化物为前驱体，通过水浴浸渍法进行配位取代，然后采用高温还原得到贵金属单原子掺杂的聚合物纳米花球催化剂复合材料。该催化剂金属与载体之间的强相互作用，使得贵金属表面能低，活性位点增多，电催化活性提高，在酸性和碱性电解液中均能表现出高活性和稳定性的特点。相对于现有技术，本发明专利技术方法操作简单安全，易于规模化生产，而且制得的碳纳米花球负载的钌单原子掺杂的碳化钼材料具有最大化的原子利用效率、独特的电子结构、导电性好、催化活性高等优点。催化活性高等优点。催化活性高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球及其制备方法与应用，属于电催化析氢催化剂


技术介绍

[0002]目前，传统化学燃料的资源短缺以及其所带来的环境污染等问题，使氢能的地位日益提高。氢能作为一种清洁的二次能源，具有资源丰富、能量密度大等优点，且使用过程中可以实现温室气体和污染物零排放的理想目标。在众多的制氢方法中，电解水制氢具有工艺过程简单、产氢效率高以及产物纯度高的优势，成为了一种最有前景的制氢方法。电解水中析氢反应受到较高过电位等因素的影响，析氢效率收到制约，因此寻求最佳的电化学催化剂是提高析氢反应效率的重要方法之一。
[0003]贵金属Pt基催化剂被认为是最佳的析氢反应催化剂，但是其储量稀缺、价格昂贵，不具备大量投产的优势。同为铂族催化剂的钌基催化剂，成本远低于铂基催化剂，且催化性能优于大量廉价过渡金属催化剂，可与铂基催化剂进行媲美。因此开发贵金属钌基催化剂应用于高效稳定的析氢反应至关重要。为了进一步降低成本，减少贵金属的用量且使贵金属得到最大限度的利用，设计出单原子
‑
载体催化剂成为了一种可尝试的方案。优异的催化活性和选择性都可以在单原子催化剂中展现出来，且据有关报道称单原子催化剂的稳定性也优于纳米颗粒，具有极大的商业前景。碳化钼是目前研究最多的过渡金属碳化物体系之一，得益于其具有成本低、熔点高、导电性好、催化活性高等优点。但是，单一的物质碳化钼的催化活性仍有待提高。

技术实现思路

[0004]针对现有技术问题，本专利技术的目的在于提供一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球及其制备方法与应用。本专利技术制备方法操作简单，易于规模化生产，而且制得的花球具有优化的表面电子结构、活性位点多、导电性好、催化活性高等优点。
[0005]为解决现有技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球催化剂，包括碳负载的碳化钼纳米花球，且碳化钼纳米花球上掺杂有Ru单原子，由大量超薄纳米片组成，纳米片上负载有大量钌单原子，贵金属与载体之间形成强作用力，有利于降低贵金属的表面能，调节电子结构，增加活性位点的暴露，具有较好的电化学性能。。
[0007]上述含钌单原子的碳负载的碳化钼花球催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，将钼酸铵和盐酸多巴胺分散在水和乙醇混合溶液中，加入形貌导向剂，在室温条件下搅拌反应8h后，用去离子水洗涤冻干，并将冻干后的固体在还原性气氛中高温加热，得到碳负载的碳化钼花球，其中，所述形貌导向剂为氨水，氨水的体积为0.2
‑
0.6mL；
[0009]步骤2，将50mg碳负载的碳化钼花球和贵金属钌化合物加入到10mL水中，在50℃的水浴加热下，搅拌12h，离心洗涤后取其沉淀冻干，并将冻干后的产物置于还原性气氛中高
温处理，即得含钌单原子的碳负载的碳化钼花球。
[0010]作为改进的是，步骤1中加热温度为700
‑
900℃，采用程序升温，升温后保持时间为120
‑
300min，升温速率为2.5
‑
10℃
·
min
‑1。
[0011]作为改进的是，步骤2中加热温度为300
‑
500℃，采用程序升温，升温后保持时间为30
‑
90min，升温速率为1
‑
5℃
·
min
‑1。
[0012]作为改进的是，步骤2中贵金属钌化合物为三氯化钌水合物、醋酸钌、乙酰丙酮钌或羰基氯化钌。
[0013]作为改进的是，三氯化钌水合物和碳负载的碳化钼花球的质量比为1：(1.7
‑
10)。
[0014]上述含钌单原子的碳负载的碳化钼花球作为酸性和碱性条件下电催化析氢催化剂的应用。
[0015]本专利技术的原理在于：以氨水作为形貌导向剂，盐酸多巴胺作为配体，钼酸铵作为钼源，高温还原，生成碳负载的碳化钼花球，通过简单的浸渍法，三氯化钌水合物作为贵金属源，高温还原后制备含钌单原子的碳负载的碳化钼花球。该催化剂为纳米花球，形状规整，所得到的催化剂具有较高的电催化活性和稳定性。
[0016]有益效果：
[0017]相对于现有技术，本专利技术一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球及其制备方法与应用，具有以下优势：
[0018]1)本专利技术通过简便、可实现规模化生产浸渍法制备含钌单原子的碳负载的碳化钼花球催化剂；
[0019]2)本专利技术中制备方法工艺简单易行，降低了贵金属成本，设备简单，可实现大规模生产；
[0020]3)本专利技术所得产物为纳米花结构，且形状均匀，具有较多活性位点，在酸性和碱性溶液中均具有优异的电催化活性和稳定性，是一种极有潜力的电解水析氢催化剂，在未来的能源行业应用前景广阔。
附图说明
[0021]图1是实施例1方法制备的含钌单原子的碳负载的碳化钼花球的SEM图谱；
[0022]图2是实施例1方法制备的含钌单原子的碳负载的碳化钼花球的低倍TEM图谱；
[0023]图3是实施例1方法制备的含钌单原子的碳负载的碳化钼花球的高倍HR
‑
TEM图谱；
[0024]图4是实施例1方法制备的含钌单原子的碳负载的碳化钼花球的像差校正的高角度环形暗场
‑
扫描透射电子像(HAADF
‑
STEM)图；
[0025]图5是实施例1方法制备的含钌单原子的碳负载的碳化钼花球的XRD图谱；
[0026]图6是实施例1方法制备的含钌单原子的碳负载的碳化钼花球的Raman图谱；
[0027]图7是实施例1方法制备的含钌单原子的碳负载的碳化钼花球与Pt/C的析氢性能测试图谱，(a)和(b)分别是酸性和碱性条件下的LSV曲线对比图；
[0028]图8是实施例1方法制备的含钌单原子的碳负载的碳化钼花球的析氢循环稳定性测试图谱，(a)和(b)分别是酸性和碱性条件下稳定性测试图谱；
[0029]图9是实施例1方法制备的含钌单原子的碳负载的碳化钼花球的析氢计时电流测试图谱，(a)和(b)分别是酸性和碱性条件下的计时电流测试图谱；
具体实施方式
[0030]下面通过具体实施例对本专利技术所述的技术方案给予进一步详细的说明。
[0031]实施例1
[0032]一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球的制备方法，包括以下步骤：
[0033]1)MoC@C花球的制备：将钼酸铵溶于水和无水乙醇的混合溶液中，搅拌30min，充分溶解，搅拌的过程中加入0.4mL氨水，搅拌1h，搅拌的过程中加入盐酸多巴胺，搅拌8h后，离心冻干，得到的固体粉末置于瓷舟中，在还原性气氛下，以5℃/min程序升温至850℃进行热处理，并在该温度下保持180min，然后冷却，得到MoC@C花球；
[0034]2)含钌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球催化剂，其特征在于：包括碳负载的碳化钼纳米花球，且碳化钼纳米花球上掺杂有Ru单原子，由大量超薄纳米片组成，纳米片上负载有大量钌单原子，贵金属与载体之间形成强作用力，有利于降低贵金属的表面能，调节电子结构，增加活性位点的暴露，具有优良的电化学性能。2.基于权利要求1所述的一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将钼酸铵和盐酸多巴胺分散在水和乙醇混合溶液中，加入形貌导向剂，在室温条件下搅拌反应8h后，用去离子水洗涤冻干，并将冻干后的固体在还原性气氛中高温加热，得到碳负载的碳化钼花球，其中，所述形貌导向剂为氨水，氨水的体积为0.2
‑
0.6mL；步骤2，将50mg碳负载的碳化钼花球和贵金属钌化合物加入到10mL水中，在50℃的水浴加热下，搅拌12h，离心洗涤后取其沉淀冻干，并将冻干后的产物置于还原性气氛中高温处理，即得含钌单原子的碳负载的碳化钼花球。3.根据权利要求2所述的一种含钌单原子的碳负载的碳化钼花球催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1中加热温度为700
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐林，殷静雯，石德胜，陆婷钰，孙冬梅，唐亚文，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：