一种铁基碲/氧化物异质结负载钌催化剂的制备方法及其在电解海水产氢中的应用

本发明属于电化学领域，具体为含有fete0.9与fe2o3两相的异质结(feteo)载体负载ru的her电催化剂的制备方法及其在电解海水产氢中的应用。

背景技术：

1、氢气作为一种具有高能量密度(～142mj kg-1)的环保能源载体，正引起人们的极大关注。可再生电力驱动的水电解被认为是最有前途的制氢技术，析氢反应(her)是水电解过程中的一个基本反应。与酸性环境中的单氢质子耦合不同，在碱性条件下，her还涉及水离解过程，其较低的氢质子浓度需要催化剂的强氢吸附强度来增强her动力学。迄今为止，铂基材料由于其优异的h吸附自由能和本征催化活性而成为最先进的her电催化剂，但由于其稀缺性和高昂的价格，阻碍了铂基催化剂的大规模应用。此外，几乎所有的水电解过程都是在纯水中进行的，忽略了丰富的海水资源。因此，迫切需要探索在碱性海水中具有较低价格和优异her性能的催化剂。

2、ru基催化剂以其相对低廉的价格(约为pt价格的4％)，类pt氢键强度和优异的耐腐蚀性受到了广泛关注。此外将ru与其他过渡金属化合物偶联或调整催化剂载体的组成不仅降低了贵金属的含量，而且显著提高了ru基电催化剂的her性能。强金属-载体相互作用(smsi)是设计高性能钌基负载催化剂的关键机制之一。异质结载体的引入可用于通过利用不同组分界面之间的键合相互作用来增强ru和载体之间的相互作用，从而增强氢吸附能力，提升催化活性。

技术实现思路

1、1、本发明的目的在于提供了一种铁基碲/氧化物异质结负载钌催化剂的合成方法。通过水热法在基底上生长feteo异质结载体，并利用高温退火和rucl3离子交换得到最终的ru/feteo电催化剂。与传统强金属载体方法相比，本发明利用异质结策略解决了不同组分的界面之间的键合相互作用来增强ru和载体之间的相互作用。从而改善碱性海水产氢过程中ru催化活性低的问题，同时能够在大电流密度的条件下保持催化稳定性，在未来的实际应用中具有重要价值。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供铁基碲/氧化物异质结ru/feteo电催化剂的制备方法，可以通过如下技术路线予以实现：

4、(1)泡沫铁基底的处理：将泡沫铁基底裁剪成适当大小，然后将其依次浸入稀盐酸(0.1m)、丙酮、乙醇中，超声处理后在真空干燥箱中干燥。

5、(2)feteo前驱体的制备：将te粉与水合肼溶于去离子水中，搅拌形成均匀溶液。将洗干净的泡沫铁浸入上述溶液中，进行水热反应；所述水热反应温度为120～200℃，水热完成后自然冷却；反应后的样品用去离子水与乙醇反复冲洗后在真空烘箱中干燥。

6、(3)ru/feteo的制备：将反应后的feteo在h2/ar混合气中高温退火，退火温度为300～600℃，升温速率为1～3℃ min-1；将退火后的样品浸入rucl3溶液中进行离子交换，时间为4到8小时，取出制备好的样品并用去离子水清洗，烘干得到ru/feteo。

7、根据技术路线的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中泡沫铁剪裁成2cm*3cm大小，分别浸入盐酸、丙酮、乙醇中超声处理10～40min后干燥,真空干燥箱的温度设置为40～80℃，用以去除泡沫铁表面的有机物以及氧化物。

8、根据技术路线的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中水热时间为2h，以合成形貌尺寸较为均匀的feteo纳米颗粒前驱体。

9、根据技术路线的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中h2/ar混合气中h2为10％，rucl3的用量为30～100mg。

10、本发明还提供了上述技术路线所述的铁基碲/氧化物异质结ru/feteo材料在碱性大电流海水电解槽的应用。

11、作为本发明的进一步特征：本发明构建的铁基强金属异质结载体相互作用ru/feteo材料，可以解决制备用于大电流密度下海水电解产氢电催化剂的关键挑战。我们证明，异质结载体激发了ru的内在活性，提升了催化性能，并同时确保了电解海水产氢过程中的长期稳定性。本发明所得到的材料降低了贵金属的成本，具有优越的催化性能，在电解海水产氢领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种铁基碲/氧化物异质结负载钌催化剂的制备方法，其特征在于：对泡沫铁基底进行简单清洗处理，并进一步用水热方法在泡沫铁基底上生长feteo异质结载体，最后利用高温退火和rucl3离子交换对其进行进一步改性处理，得到ru/feteo电催化剂。催化剂中的feteo异质结载体能够有效激发ru的催化活性，维持其稳定性，实现大电流海水条件下的高效制氢，同时能够保持长时间水分解稳定性。

2.按照权利要求1所述的自支撑材料清洗处理方法，其特征在于，将基底(泡沫铁)裁剪成适当大小，然后将其分别浸入盐酸、丙酮、乙醇中，超声处理。

3.按照权利要求1所述的水热法，其特征在于，将te粉与水合肼溶于去离子水中，搅拌形成均匀溶液。将洗干净的泡沫铁浸入上述溶液中，进行水热反应；所述水热反应温度为120～200℃，水热时间为1到12小时，自然冷却；反应后的样品用去离子水与乙醇反复冲洗后在真空烘箱中干燥，得到feteo。

4.按照权利要求1所述的高温退火及离子交换法，其特征在于，将反应后的feteo在h2/ar混合气中高温退火，退火温度为300～600℃，升温速率为1～3℃ min-1；将退火后的样品浸入rucl3溶液中进行离子交换，时间为4到8小时，取出制备好的样品并用去离子水清洗，烘干得到ru/feteo。

5.按照权利要求1所述的一种铁基碲/氧化物异质结负载钌催化剂，其特征在于：所述电催化剂可作为阴极应用于碱性大电流海水电解槽。

6.按照权利要求1所述的大电流海水条件，其特征在于，用天然海水配制1m koh海水电解液，电解海水时电解液温度保持在室温。

技术总结本发明公开了一种铁基碲/氧化物异质结负载钌催化剂的制备方法及其在电解海水产氢中的应用。通过水热反应合成FeTeO异质结载体，并进一步利用高温退火和离子交换将Ru负载在FeTeO载体上，最终构建通过异质结基底激发Ru催化活性的材料(Ru/FeTeO)。利用该催化剂与S‑NiFeOOH催化剂分别作为电解槽的阴极与阳极，在电解海水的条件(电解液：1M KOH海水)下，仅需1.98V的工作电压就能达到3A cm<supgt;‑2</supgt;的电流密度。本发明利用异质结载体策略解决了大电流电解碱性海水产氢过程中贵金属Ru催化活性不足的问题。通过异质结基底中不同组分界面之间的键合相互作用来增强Ru的氢吸附，提升了催化剂活性和耐久，能够实现安培级大电流的海水裂解，在未来的实际应用中具有重要价值。技术研发人员：刘晓斌,李坤,毛慧敏,王宣艺,迟京起,李卫兵,王磊受保护的技术使用者：青岛科技大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17