一种Ru掺杂NiFe(BDC)-MOF纳米片分解水制氢催化剂和制备方法及应用

本发明属于电解水催化，具体涉及一种ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢催化剂和制备方法及应用。

背景技术：

1、随着能源与环境问题的日益加剧，开发可再生能源替代传统的化石能源作为一种有效的途径，已经得到了大力的发展。氢燃料因其高能量密度(142mj/kg)和无污染特性而被视为一种有潜力的可持续绿色能源媒介，电化学分解水一直被认为是制备高纯度氢气的有效方法，因其零二氧化碳排放和潜在的大规模生产能力，然而这项技术在商业和工业应用方面受到了限制。

2、二维金属有机框架(2d-mofs)因其具有高度分散的金属中心、高孔隙率、大内表面积而被认为是最有前途的非贵金属催化剂之一，相比于单金属mofs，双金属mofs由于两种金属之间的强耦合效应而表现出更好的电催化性能，包括nife-mofs、feco-mofs等等。尽管2d-mofs在非贵金属催化中脱颖而出，但其分解水性能仍无法满足工业大电流密度下的电解水的要求。

技术实现思路

1、针对目前电催化剂析氢过电位太高，材料循环稳定性能差等问题，现有技术不足以满足工业条件下分解水的要求，本发明的目的在于提供一种ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢催化剂和制备方法及应用，该方法制备的电催化剂具有优异的析氢性能，可以作为贵金属析氢电极的替代产品。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、将预处理的泡沫镍加入到含有镍源、铁源、钌源、对苯二甲酸、无水乙醇和去离子水的混合溶液中，进行水热反应，空干燥，得到ru掺杂的nife(bdc)-mof电催化剂。

5、进一步的，镍源为氯化镍、硝酸镍或硫酸镍，铁源为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁，钌源为三氯化钌。

6、进一步的，镍源、铁源与钌源的物质的量的比为0.56:0.05～0.24:0.05～0.24。

7、进一步的，镍源与对苯二甲酸的物质的量的比为0.56：1.00～1.40；镍源与去离子水的用量为0.56mmol:4ml。

8、进一步的，去离子水与无水乙醇的体积比为1:1。

9、进一步的，镍源与二甲基甲酰胺的用量为0.56mmol:20～35ml。

10、进一步的，水热反应的温度为110～140℃，时间为11～15h。

11、进一步的，将矩形泡沫镍在盐酸中超声后，在无水乙醇中超声，然后在去离子水中超声，得到预处理的泡沫镍。

12、根据所述方法制备的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂。

13、根据所述方法制备的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂在工业电解水中的应用。

14、本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

15、本发明采用价格更低，氢吸附能力优异的铂族元素ru作为掺杂剂进行2d-mofs的改性，可再次降低成本，通过计算得到的总态密度(dos)和分波态密度(pdos)可知，ru掺杂使得催化导电性增强，活性位点d-轨道中心位置(εd)从-6.3ev上升至-5.8ev。此外，本发明的ru掺杂ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂对h2o分子表现出更大的吸附性能，这表明其表面更加有利于反应物的吸附和活化。在h2o分子解离能垒(δgh2o)低至0.369ev，超低的水分子解离能垒有利于催化剂表面形成质子，促进随后的质子分离，增强her过程反应速率。除此之外，根据bader电荷计算结果证明电子由ru转移至ni。总的来说，具有不饱和配位金属位点的runife(bdc)-mof优化了her路径的吉布斯自由能，增强其与基底金属的各种协同效应，从而进一步提高her的电催化性能。本发明的制备方法采用来源广泛，价格实惠的过渡金属镍和铁制备电催化产氢2d-mofs材料的原材料，制备过程简单易行，无需后期处理，对环境友好，适合大规模生产。同时，该方法工艺简单易控，制备的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片电催化剂组成均一，纯度高，将其作为电催化剂表现出优异的电化学性能。

16、本发明合成了具有良好骨架形貌的二维金属有机框架，这种制备方法能暴露出更多的活性位点，将其作为电催化析氢材料，在实际工业电流密度条件下展现出出色的催化活性。

17、本发明所制备的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片电催化剂通过电化学工作站进行电化学性能测试，最优条件下的电极材料表现出良好的析氢反应性能，在10ma/cm2的电流密度下过电位为25mv和在2000ma/cm2的电流密度下过电位为257mv，并且样品通过长时间循环实验后，其析氢反应性能稳定性良好。

技术特征：

1.一种ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂的制备方法，其特征在于，镍源为氯化镍、硝酸镍或硫酸镍，铁源为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁，钌源为三氯化钌。

3.根据权利要求1所述的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂的制备方法，其特征在于，镍源、铁源与钌源的物质的量的比为0.56:0.05～0.24:0.05～0.24。

4.根据权利要求1所述的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂的制备方法，其特征在于，镍源与对苯二甲酸的物质的量的比为0.56：1.00～1.40；镍源与去离子水的用量为0.56mmol:4ml。

5.根据权利要求1所述的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂的制备方法，其特征在于，去离子水与无水乙醇的体积比为1:1。

6.根据权利要求1所述的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂的制备方法，其特征在于，镍源与二甲基甲酰胺的用量为0.56mmol:20～35ml。

7.根据权利要求1所述的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂的制备方法，其特征在于，水热反应的温度为110～140℃，时间为11～15h。

8.根据权利要求1所述的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂的制备方法，其特征在于，将矩形泡沫镍在盐酸中超声后，在无水乙醇中超声，然后在去离子水中超声，得到预处理的泡沫镍。

9.根据权利要求1-8任一项所述方法制备的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂。

10.根据权利要求1-8任一项所述方法制备的ru掺杂nife(bdc)-mof纳米片分解水制氢电催化剂在工业电解水中的应用。

技术总结本发明公开了一种Ru掺杂NiFe(BDC)‑MOF纳米片分解水制氢催化剂和制备方法及应用，将预处理的泡沫镍加入到含有镍源、铁源、钌源、对苯二甲酸、无水乙醇和去离子水的混合溶液中，进行水热反应，洗涤、真空干燥，得到Ru掺杂的NiFe(BDC)‑MOF电催化剂。本发明合成了具有良好骨架形貌的二维金属有机框架，这种制备方法能暴露出更多的活性位点，将其作为电催化析氢材料，在实际工业电流密度条件下具有出色的催化活性与稳定性。本发明的制备方法操作温和、易控，具备良好的可复现性，环保且实用，原材料易获取、成本低廉，并且有望在电催化分解水等领域发挥重要作用。技术研发人员：关祥久,屈景阔,张拓,郭烈锦受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9