本发明专利技术公开了一种高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料及其制备方法和在电解水产氢产氧中的应用。该制备方法包括：步骤一、将碳布浸没到含2‑甲基咪唑和硝酸钴(II)的混合液中，使碳布上生长ZIF‑Co纳米片，然后取出碳布清洗、干燥，得到ZIF‑Co/CC；步骤二、将ZIF‑Co/CC于惰性气氛保护下进行热解，得到钴氮掺杂碳；步骤三、对钴氮掺杂碳进行介质阻挡放电等离子体处理，然后与钌(III)源进行离子交换；步骤四、将步骤三离子交换产物于惰性气氛保护下进行热解，得到高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电催化，具体涉及一种在碳纤维上负载高催化活性和稳定性的高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料及其制备方法和在电解水产氢产氧中的应用。
技术介绍
1、随着传统化石燃料的过度消耗，环境污染问题的愈发严重，研究和发展可再生新型能源问题已然成为当下人们关注的热点之一。在众多新能源产能装置中，电解水既产氢又产氧是一种相当具有发展前景的获得清洁能源的有效途径。由于电解水过程中，动力学转化缓慢，需要施加较高的过电位才能驱动反应，因此研究者们一直致力于开发高效可行的电解水催化材料，降低电极的过电位从而减少能耗。
2、金属有机骨架(mof)是通过金属离子和相应的有机分子配位所形成的多孔材料。在各种mofs中，钴基咪唑沸石骨架(zif-co)已被广泛研究，并用作前驱体和自模板，以获得各种用于能源应用的氮掺杂碳(nc)负载钴基电催化剂。特别是，zif-co衍生的钴氮掺杂碳(co-n-c)基质由于其大表面积、优异的导电性、良好的稳定性和低成本，被广泛用于制备her电催化材料。然而，在制备co-n-c的过程中总会伴随不同程度的团聚，这极大的限制了该催化剂在析氢领域内的表现。
3、相关研究表明，钌(ru)单原子催化剂能够提供丰富的活性位点，增强催化剂的活性。由于其较强的吸附能力，ru单原子能够有效吸附和激活氢离子(h+)，促进氢气的生成。特别是在高温和酸性环境中，能保持较高的催化活性和耐久性，适合工业化应用。
4、因此，使用mof材料及其衍生物来制备纳米粒子及ru单原子电催化剂具有重要研究价值。
5、虽然已有利用mof材料制备金属纳米粒子以及单原子催化剂的相关报导，但由于其mof材料在制备过程中往往需要热解的特殊性，传统的热解策略通常伴随着单原子的聚集，难以实现高密度单原子的负载以满足电催化剂的工业化的需求。因此，有必要探索一种制备高密度、稳定催化活性的新方法，用于实际的水裂解。
6、等离子体是与固态、液态和气态并列的第四种物质状态，在电催化剂工程学方面具有很多优势，例如可以提高催化剂与催化支撑材料之间的界面耦合，在更低的温度下实现有效的杂原子掺杂等。此外，等离子体的“热冲击”效应可以制造捕获原子的缺陷位点，极大的限制单原子的聚集，这为制备较高密度单原子催化剂提供了可能。
7、因此，结合等离子体技术发展一种高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子催化剂的制备方法具有重要的研究意义，将可能会为推进清洁h2能源技术开辟一个新的研究领域。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种以碳布(cc)为基体支撑制备高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料的方法。本专利技术的电催化材料在介质阻挡放电(dbd)等离子体辅助下采用热解-离子交换-热解进行制备。本专利技术不仅可有效解决传统热解过程中单原子易团聚的问题，还可降低成本，提高电极材料的稳定性和催化活性，极具工业化和实际应用价值。
2、一种高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料的制备方法，以碳布(cc)为基底生长mof材料zif-co，通过热解并加以介质阻挡放电(dbd)等离子体的辅助，使其在离子交换时能负载较多的ru，并且最后通过热解还原最终仍可得到高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电极催化材料。在本专利技术的制备方法中，介质阻挡放电等离子体处理不仅提升电催化剂的稳定性，而且避免了传统热解方法导致单原子大量团聚的问题。
3、本专利技术提供了一种电催化性能优越、稳定性强且对环境友好的高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化剂的制备方法。本专利技术填补了等离子体应用于制备高密度单原子及合金纳米粒子电催化剂的空白，在析氧反应和析氢反应方面有着巨大的潜在应用价值。
4、一种高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料的制备方法，包括：
5、步骤一、将碳布浸没到含2-甲基咪唑和硝酸钴(ii)的混合液中，使碳布上生长zif-co纳米片，然后取出碳布清洗、干燥，得到zif-co/cc；
6、步骤二、将zif-co/cc于惰性气氛保护下进行热解，得到钴氮掺杂碳；
7、步骤三、对钴氮掺杂碳进行介质阻挡放电等离子体处理，然后与钌(iii)源进行离子交换；
8、步骤四、将步骤三离子交换产物于惰性气氛保护下进行热解，得到所述高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料。
9、步骤一中，硝酸钴(ii)中的钴(ii)与2-甲基咪唑的质量比可为(0.02～0.17):(0.5～2.0)。
10、步骤一中，硝酸钴(ii)中的钴(ii)质量与碳布单面面积之比可为(0.02～0.17)g:4cm2。
11、步骤一中，碳布上生长zif-co纳米片的时间可为2～8小时。
12、步骤二中，所述惰性气氛是指不参与反应的气体气氛，具体可包括稀有气体气氛和/或氮气气氛等。
13、步骤二中，所述热解的温度可为400～900℃。
14、步骤二中，所述热解的时间可为30～120min。
15、步骤二中，所述热解的升温速率可为2～8℃/min。
16、步骤三中，介质阻挡放电等离子体处理的时间优选为10～30min，例如15min、20min、25min等。
17、步骤三中，介质阻挡放电等离子体处理的电压可为5～30kv，进一步可为10～30kv，例如20kv等，频率可为10～80khz，进一步可为10～30khz，例如20khz等，功率可为50～100w，例如60w等。
18、步骤三中，介质阻挡放电等离子体处理的介质层厚度可为1～5mm，进一步可为1～2mm，例如2mm等，可采用平板放电，放电间隙可为2～8mm，进一步可为3～4mm，例如4mm等。
19、步骤三中，介质阻挡放电等离子体处理采用的介质可为石英。
20、步骤三中，钌(iii)源中的钌(iii)与硝酸钴(ii)中的钴(ii)质量比可为(2～15):(20～170)。
21、步骤三中，钌(iii)源可包括rucl3等。
22、步骤三中，钌(iii)源可以溶液形式与介质阻挡放电等离子体处理后的钴氮掺杂碳进行离子交换。
23、步骤三中，离子交换的时间可为10～80min。
24、步骤四中，所述惰性气氛是指不参与反应的气体气氛，具体可包括稀有气体气氛和/或氮气气氛等。
25、步骤四中，所述热解的温度可为400～900℃。
26、步骤四中，所述热解的时间可为30～120min。
27、步骤四中，所述热解的升温速率可为2～8℃/min。
28、本专利技术又提供了所述的制备方法制备得到的高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料。
29、本专利技术还提供了所述的高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料在电解水产氢产氧中的应用。
30、当前技术中，利用mof材料制备纳米粒子及单原子催化剂的工艺多为热解合成，且难以同时得到高本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中：
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中：
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤三中：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤三中：
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤三中：
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤四中：
8.根据权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到的高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料。
9.根据权利要求8所述的高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料在电解水产氢产氧中的应用。
【技术特征摘要】
1.一种高密度钌单原子及钴钌合金纳米粒子电催化材料的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中：
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中：
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤三中：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤三中...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈光良，曾皓林，郭迎春，
申请(专利权)人：湖州师范学院，
类型：发明
国别省市：
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