一种负载Ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片及其制备方法与应用

本发明涉及氧催化剂，具体涉及一种负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片及其制备方法与应用。

背景技术：

1、为了减少对传统化石燃料的依赖，科研工作者们致力于研究环保、清洁、可再生的新型能源(潮汐能、风能、太阳能等)。氢气(h2)因其最高的重量能量密度、无碳副产物和良好的可循环性而被广泛认为是一种极具吸引力和前景的替代能源。电解水由于其反应条件温和，原料广泛，产品纯度高，是一种极具竞争力和有效的可规模化生产h2的方法。由于析氢反应(her)和析氧反应(oer)的活化能垒较大，所以需要性能优良的电催化剂来克服其中缓慢的反应动力学，降低反应过电势。近年来，贵金属pt和ruo2/iro2仍然被广泛应用于her和oer中，但它们的价格高、丰度低、耐久性差，严重阻碍了其广泛的商业化。因此，开发经济、经济、高效电催化剂对于水分解技术的发展和未来氢经济的发展是迫切需要的。

2、在现阶段开发出来的电催化剂中，尽管一些无金属和非贵金属催化剂表现出较好的催化性能，但是与贵金属基催化剂相比其产氢和产氧的过电位依然很高并且稳定性较低。ru因其优于pt的水解离能力，与h和oh较强的键合强度以及相对较低的价格受到广泛的关注。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片及其制备方法与应用，该制备方法简易通用，成本低廉，具有较大的比表面积和丰富的活性位点，在电解水析氢上表现出优异的活性和稳定性。

2、为解决现有的技术问题，本发明采取技术方案：

3、一种负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片的制备方法，将碱金属无机盐的饱和溶液、钌前驱体溶液、氯化锌、氨基葡萄糖盐酸盐混合均匀，冷冻干燥后，将冻干产物在惰性气体下高温煅烧处理后去离子水洗涤干燥，得到负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片，所述氮源和碳源为氨基葡萄糖盐酸盐。

4、作为改进的是，惰性气体为氮气或氩气中的任意一种，钌前驱体为钌的无机盐，碱金属无机盐为nacl、na2so4、kcl或mgcl2。

5、作为改进的是，煅烧的温度为700-1000℃，煅烧时间为2-5h，升温速率为2.5-10℃·min-1。

6、作为改进的是，所述钌的无机盐和氨基葡萄糖盐酸的摩尔比为1:100-300。

7、作为改进的是，钌含量为0.15mmol,氯化锌含量为0.21g,氨基葡萄糖盐酸盐含量为1.6g,无机盐的添加量为2-6g。

8、上述制备方法得到的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片。

9、作为改进的是，所述负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片呈现三维蜂窝网络结构，具有丰富的大孔、介孔、微孔，有利于物质传输及催化剂与电解液接触，且ru纳米颗粒均匀锚定在纳米片上，ru纳米颗粒直径为3-4nm。

10、上述制备方法得到的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片在电解水析氢上的应用。

11、本发明负载ru纳米颗粒的氮掺杂碳纳米片为钌基碳纳米复合材料，ru由于与h和oh有较强的键合强度表现出了卓越的电催化活性和稳定性。

12、有益效果：

13、与现有的技术相比，本发明一种负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片及其制备方法与应用，在金属钌与导电碳材料复合构建莫特肖特基异质结，异质界面处强健的电子耦合作用可以有效改变催化剂的电子云密、加速电子传输，从而增强催化剂的本征活性。此外，与碳材料复合可以有效ru粒子团聚，增加活性位点，从而提高催化剂的催化活性。具有以下几种优势：

14、1)本发明以氯化钠为模板，氯化锌为孔引导剂，氨基葡萄糖盐酸盐为氮源和碳源，在高温还原下得到氮掺杂的分级多孔碳纳米片负载ru纳米颗粒，ru纳米颗粒的尺寸均一为3-4nm，且均匀分布在氮掺杂的碳纳米片上。

15、2)本发明提供的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片具有表面积大、活性位点多、电催化活性高等优点，其作为氢析出阴极催化剂展现出较高的催化活性和稳定性；

16、3)本发明通过简便、可实现规模化生产的方法制备负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片，所选用的氨基葡萄糖盐酸盐价格低廉，与传统制备析氢电催化剂材料的方法相比，该方法工艺操作简单、成本低廉、可实现大规模生产。

技术特征：

1.一种负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：将碱金属无机盐的饱和溶液、钌前驱体溶液、氯化锌、氨基葡萄糖盐酸盐混合均匀，冷冻干燥后，将冻干产物在惰性气体下煅烧后去离子水洗涤干燥，得到负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片。

2.根据权利要求1所述的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：惰性气体为氮气或氩气中的任意一种，钌前驱体为钌的无机盐，碱金属无机盐为nacl、na2so4、kcl或mgcl2。

3.根据权利要求1所述的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：煅烧的温度为700-1000℃，煅烧时间为2-5 h，升温速率为2.5-10℃•min -1 。

4.根据权利要求1所述的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述钌的无机盐和氨基葡萄糖盐酸盐的摩尔比为1:100-300。

5.根据权利要求4所述的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于：钌含量为0.15 mmol, 氯化锌含量为0.21g, 氨基葡萄糖盐酸盐含量为1.6g, 无机盐的添加量为2-6g。

6.基于权利要求1-5所述的制备方法得到的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片。

7.根据权利要求6所述的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片，其特征在于，所述负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片呈现三维蜂窝网络结构，具有丰富的大孔、介孔、微孔，有利于物质传输及催化剂与电解液接触，且ru纳米颗粒均匀锚定在纳米片上，ru纳米颗粒直径为3-4 nm。

8.基于权利要求1所述的制备方法得到的负载ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片在电解水析氢上的应用。

技术总结本发明公开了一种负载Ru纳米颗粒的氮掺杂分级多孔碳纳米片及其制备方法与应用，以无机盐NaCl为模板，以无机盐氯化锌为孔诱导剂，以氯化钌为金属源，以氨基葡萄糖盐酸盐为氮源和碳源，将无机盐的饱和溶液和钌前驱体溶液及氮碳源混合均匀进行冷冻干燥，再利用高温还原法，冻干产物在惰性气体下经过高温煅烧后用去离子水洗涤干燥即可。该催化剂在氮掺杂的分级多孔碳纳米片上负载了Ru纳米颗粒，具有比表面积大，活性位点多，电催化活性高等优点，在1 M KOH溶液中，电流密度10 mA cm<supgt;‑2</supgt;的过电位为10 mV，且在碱性环境中表现出良好的稳定性。本发明的制备方法操作简单，快捷环保，可以实现规模化生产。技术研发人员：徐林,林英姿,周光耀,孙冬梅,唐亚文受保护的技术使用者：南京师范大学技术研发日：技术公布日：2024/5/6