一种由空心碳构筑的Ru掺杂CePO4/CeO2电催化剂及其制备方法

本发明属于纳米材料制备，具体涉及一种由空心碳构筑的ru掺杂cepo4/ceo2电催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、氢能作为一种可再生能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，基于电化学水分解的氢气生产技术是生产氢能最有前途的方式，碱性条件下的电化学析氢反应（her）是一种不依赖传统矿物燃料而生产可持续绿色氢能的经济途径。设计合理的her电催化剂来生产氢能是必要的，目前以ru为基础的her电催化剂在催化领域备受关注。ru纳米颗粒比表面积大，有益于活性面积的暴露，因此在催化领域应用广泛，目前对于ru纳米颗粒的研究仍处于发展阶段，在制备过程中会出现团聚现象，造成暴露面积减少。最常用的策略是设计合理的载体，将ru纳米颗粒分散在载体上，通过金属-载体间相互作用（msi）来调节催化剂活性。常见的载体为碳载体，空心碳是一种常见的固体碳载体，但其本质上具有石墨化，虽其具有优异的碳腐蚀耐久性，但也影响了ru纳米颗粒的分散性进而影响性能，同时在测试中存在易于脱落的问题。

2、铈是地球上最丰富的稀土元素，由于其独特的4f 电子结构，铈能够以两个价态（+3和+4）稳定存在，常被用作催化剂助剂。铈离子在两个价态之间的相互转化促进了电化学反应，其中磷酸基不仅能够提高铈离子价态间的转化效率，还能够提高稳定性，因此引入磷酸铈能大大提高ru纳米颗粒在空心碳上的稳定性。此外，二氧化铈（ceo2）具有优良的离子导电性和高储氧能力，能够通过促进氧空位的形成来增强催化剂活性。此外，ceo2在接触界面上可以与金属催化剂产生强相互作用，从而使催化剂具有更强的稳定性。然而，许多单一的金属无法在提高活性的同时维持材料的稳定性，故通过组合不同成分来弥补各成分的不足，将cepo4和ceo2两种组分组合，形成协同效应来提高her活性，所以，将cepo4和ceo2组合负载于空心碳上来防止纳米颗粒的脱落并提高her活性是目前较为便捷经济的设计策略。

3、已有研究提出将ru纳米颗粒负载在掺杂金属组分的碳载体上，通过碳载体和金属组分的相互作用不仅增强了稳定性，还提升了催化活性。虽然目前对于ru纳米颗粒的制备方法有很大的进展，但制备过程复杂、结果不可控和稳定性差等因素限制了其在实际中的应用。因此，需要开发出合成过程简便、易于调控的制备方法用于制备高效稳定的碳载ru基催化剂。

技术实现思路

1、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供了一种由空心碳构筑的ru掺杂cepo4/ceo2电催化剂及其制备方法。

2、本发明的目的之一在于提供了一种新颖且易于调控的载体。

3、本发明的目的之二在于提供了一种简便易行的合成方法。

4、本发明的目的之三在于提供了一种高效稳定的由空心碳构筑的ru掺杂cepo4/ceo2电催化剂。

5、本发明制备的由空心碳构筑的ru掺杂cepo4/ceo2电催化剂是以空心碳为载体，三水合氯化钌、六水合硝酸铈和植酸为原料，通过两步煅烧法制备的，其制备过程包括以下具体步骤：

6、1、首先取60-120 mg六水合硝酸铈、50-90 mg空心碳分散于1 ml水溶液中，通过混匀使两者充分混合；

7、2、将步骤1所得溶液冷冻干燥约6-24小时，得到黑色固体；

8、3、将步骤2获得的黑色固体置于马弗炉中在150℃-350℃下煅烧1-3小时，自然降温后获得黑色粉末；

9、4、将步骤3获得的黑色粉末和15-45 mg三水合三氯化钌溶于0.5 ml水溶液中，再加入0.01-0.02 ml植酸进行混匀，冷冻干燥约6-24小时后获得黑色粉末；

10、5、将步骤4所得黑色粉末置于管式炉中，通入氮气，在500℃-700℃下煅烧1-3小时，自然降温获得由空心碳构筑的ru掺杂cepo4/ceo2电催化剂。

11、本发明的有益效果：

12、1、本发明提供了一种便捷的制备由空心碳构筑的ru掺杂cepo4/ceo2电催化剂的方法，利用空心碳作支撑载体，三水合氯化钌、六水合硝酸铈和植酸为原料，仅需实验室常用的普通设备，不需专用设备，其工艺过程简单易操作；

13、2、该方法提供了一种新颖且易于调控的掺杂ceo2、cepo4的空心碳载体，用于制备由空心碳构筑的ru掺杂cepo4/ceo2电催化剂；

14、3、该方法获得的由空心碳构筑的ru掺杂cepo4/ceo2电催化剂仅需21 mv 的过电位就能达到10 ma·cm-2电流密度；

15、4、本发明所使用的药品均无毒无害且价格低廉，且制备简单所用时间短，制备后无需复杂繁琐步骤，特别适合批量、低成本制备，适合工业化规模生产与商业化的应用。

技术特征：

1.一种由空心碳构筑的ru掺杂cepo4/ceo2电催化剂及其制备方法和应用，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，六水合硝酸铈的用量与三水合三氯化钌的用量比值为3：1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第一次煅烧时的温度和时间分别控制在250℃和2小时，第二次煅烧时的温度和时间分别控制在600℃和2小时。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，负载于混合ceo2和cepo4的空心碳上的ru纳米颗粒是采用两步退火法获得的，制备前后无需复杂繁琐步骤。

技术总结本发明涉及一种由空心碳构筑的Ru掺杂CePO<subgt;4</subgt;/CeO<subgt;2</subgt;电催化剂及其制备方法，所述制备方法以下步骤：以六水合硝酸铈和空心碳添加到水溶液中，混匀后进行冷冻干燥，再进行退火，加入三水合三氯化钌溶液和植酸，混匀，干燥，通过管式炉在氮气气氛下退火，得到由空心碳构筑的Ru掺杂CePO<subgt;4</subgt;/CeO<subgt;2</subgt;电催化剂。其特征是由空心碳构筑的Ru掺杂CePO<subgt;4</subgt;/CeO<subgt;2</subgt;电催化剂通过两步煅烧法直接获得的。另外，通过将新颖且易于调控的混合CeO<subgt;2</subgt;和CePO<subgt;4</subgt;的空心碳载体，用于电催化析氢材料中实现了高效稳定的性能，其仅需21 mV的过电位就能达到10 mA·cm<supgt;‑2</supgt;电流密度。制备所使用的药品均无毒无害且价格低廉，且制备简单所用时间短。技术研发人员：亓芳冰,郭增生,秦晓艳,孙一强,李村成受保护的技术使用者：济南大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17