一种具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂及其制备方法和在析氢及氢氧化中的应用

本发明涉及新能源材料，具体是一种具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂及其制备方法和在析氢及氢氧化中的应用。

背景技术：

1、近年来，为了实现碳中和的愿景，人们在开发利用太阳能和风能等可再生能源方面做出了许多努力。但是这些可再生能源的间歇性对开发高效的能源载体进行存储提出了严峻挑战。在各种二次能源中，氢气被认为是最有前途的清洁能源载体。氢能重量轻、密度大、燃烧热值高，是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源。相比传统化石能源，氢能主要通过氢气和氧气反应产生能量，不仅能够实现发电、储电、用电全过程零碳排放，同时氢氧化（hor）和氢还原（her）反应可以实现氢能的高效存储和转换，从而提高氢能的可持续性。

2、迄今为止，钌（ru）被认为是最有希望取代pt催化碱性her和hor的替代物之一。ru虽然属于铂族，但ru是最便宜的铂族金属，其价格仅为pt的6-36%。此外，ru在地球上的丰度远高于pt。因此，开发先进的钌催化剂对实现氢气能源的利用具有重要意义。然而，反应中间体h*和oh*在ru上的吸附能不足以实现令人满意的催化性能。此外，ru上h2o解离的相对高的势垒限制了her的反应动力学的增强。因此，需要大量的努力来构建具有优化的中间体的吸附强度和碱性电解质中h2o分解能力的催化剂。

3、目前，关于具有异质结构的ru基纳米材料高效电催化剂的研究并不多，因此，设计与开发一种具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法及在析氢和氢氧化中的应用是一项有创新意义的工作。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂及其制备方法和在析氢和氢氧化中的应用，本发明所采取的技术方案如下：

2、第一方面，提供一种具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法，其具体步骤如下：

3、s1：将钌源、镍源和去离子水混合形成均匀混合溶液，再将所述均匀混合溶液滴入到含有硼氢化钠的溶液中，经过静置反应后获得凝胶化沉淀ru3ni-gel；

4、s2：将步骤s1得到的ru3ni-gel用去离子水洗涤以除去残留的硼氢化钠，然后进行冷冻干燥获得一种具有异质结构的钌镍气凝胶ru3ni-aerogel。

5、上述方法以硼氢化钠为唯一还原剂，使金属盐可以完全被还原并形成凝胶化产物，避免了强碱环境引发的沉淀；并且，使用冷冻干燥的方法可以有效避免ru在高温环境下易被氧化的问题；该制备方法简单便捷，且所得产物具有独特且丰富的runi异质界面。

6、进一步的，所述的钌源为具有ru元素的前驱体，所述的镍源为具ni元素前驱体，所述的硼氢化钠作为还原剂。

7、作为优选，所述的钌源为三氯化钌，所述的镍源为六水合氯化镍。

8、作为优选，步骤s1中，所述的静置反应时间为3-5h，静置反应温度为室温，即25 ℃左右。

9、作为优选，步骤s2中，用去离子水洗涤产物3-5次以除去残留的硼氢化钠。

10、作为优选，步骤s2中，所述的冷冻干燥操作具体为在-55℃~-45℃下冷冻干燥22-26 h。

11、第二方面，上述的具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法所制备得到的钌镍气凝胶催化剂也在本发明的保护范围内。 第三方面，还提供上述的钌镍气凝胶催化剂在析氢和氢氧化中的应用。

12、本发明的有益效果如下：本发明将钌源和镍源混合，再经过硼氢化钠还原，通过静置反应得到凝胶化沉淀ru3ni-gel并结合冻干处理过程形成独特的异质结构，得到具有钌镍异质结构的ru基纳米材料；钌镍之间形成的异质界面有助于促进原子之间的电子转移，使得ru处于富电子状态，进而优化反应中间体物种在ru位点上的吸脱附并降低水分子在ru位点上的解离能垒，最终提升ru基纳米材料在碱性hor/her催化活性；

13、经测试，在0.1 m koh的her过程中，本发明制备的ru3ni-aerogel 在10 ma cm-2的过电位为28 mv, 优于商业pt/c (65 mv)；而且，ru3ni-aerogel的hor性能也优于商业pt/c, 在50 mv 的过电位下质量活性为23.83 ma mg-1。

技术特征：

1.一种具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于：所述的钌源为具有ru元素的前驱体，所述的镍源为具ni元素前驱体，所述的硼氢化钠作为还原剂。

3.根据权利要求1所述的具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于：所述的钌源为三氯化钌，所述的镍源为六水合氯化镍。

4.根据权利要求1所述的具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述的静置反应时间为3-5h，静置反应温度为室温。

5.根据权利要求1所述的具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s2中，用去离子水洗涤产物3-5次以除去残留的硼氢化钠。

6.根据权利要求1所述的具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述的冷冻干燥操作具体为在-55℃~-45℃下冷冻干燥22-26 h。

7.如权利要求1-6任一项所述的具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂的制备方法所制备得到的钌镍气凝胶催化剂。

8.如权利要求7所述的钌镍气凝胶催化剂在析氢和氢氧化中的应用。

技术总结本发明提供一种具有异质结构的钌镍气凝胶催化剂及其制备方法和在析氢及氢氧化中的应用，制备方法为：将钌源和镍源混合均匀，再经过硼氢化钠还原，通过静置反应得到凝胶化沉淀Ru<subgt;3</subgt;Ni‑gel并结合冻干处理过程形成独特的异质结构，得到具有钌镍异质结构的钌镍气凝胶；经测试，所制备的钌镍气凝胶在10 mA cm<supgt;‑2</supgt;的过电位为28 mV,优于商业Pt/C(65 mV)；而且，该钌镍气凝胶的HOR性能也优于商业Pt/C,在50 mV的过电位下质量活性为23.83 mA mg<supgt;‑1</supgt;，综上所述，该钌镍气凝胶表现出高效电解水析氢（HER）和氢氧化（HOR）性能，具有较好的应用前景和商业化潜力。技术研发人员：王娟,靳梦源,金辉乐,韩翔,王舜受保护的技术使用者：温州大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4