一种双过渡金属MXene负载Ru-CuO异质结碱性氢氧化电催化剂的合成方法及其应用

本发明属于电催化剂制备，具体涉及一种双过渡金属mxene负载ru-cuo异质结碱性氢氧化电催化剂的合成方法及其应用。

背景技术：

1、目前，传统的碳基化石燃料（煤、石油、天然气等）过度使用导致全球碳排放激增，引起气候变暖、冰川融化、形成酸雨等一系列环境问题。氢能（h2）作为一种能量密度高、绿色清洁的能源一直被认为是传统化石燃料的理想替代品。氢氧燃料电池因具备高效、环保的能量转换方式成为有效解决环境与能源矛盾关键策略之一。而氢氧化反应（hydrogenoxidization reaction, hor）作为氢氧燃料电池的阳极氧化过程（酸性介质：h2= 2h++2e-；碱性介质：h2+ 2oh-= 2h2o + 2e-），其催化性能直接影响燃料电池的转化效率。虽然铂（pt）基催化剂在hor过程中表现出最优的催化性能，但是其高昂的成本、稀缺的资源，较低的耐一氧化碳（co）毒性和稳定性低，特别是在碱性介质中的hor动力学，即使是商业pt/c催化剂，也比在酸性条件下低2~3个数量级，极大的限制了大规模应用。因此，开发价格低廉、性能优良的非铂或少铂催化剂势在必行。

2、钌（ru）因具有与pt类似的金属-氢键强度和较低廉的价格，被视为pt基催化剂的潜在替代品，成为当前研究较多的hor催化剂。然而常规ru基材料在氢氧化电压高于0.3v vs.rhe时，由于自身氧化导致催化电流急剧下降，活性降低。经过查阅资料，构筑异质结催化剂、合金催化剂和采用晶格工程制备催化剂等是解决该问题的主要思路（naturecatalysis, 3(2020)454–462.、advanced materials, 35 (2023) 2208821.、small, 17(2021) 2006698.、journalof the american chemical society, 146 (2024) 16619–16629.、nano letters, 22 (2022) 5544-5552.、acs applied energy materials,4(2021) 8098-8107.）。此外，寻找合适的催化剂载体，通过活性金属-载体之间的相互作用，可以有效调控催化位点的电子结构，优化吸附氢和吸附羟基等活性物种与催化剂的吸附能，实现高性能hor催化剂的构建。基于上述分析，从催化性能、催化剂成本和催化剂结构设计等多方面综合考虑，寻求一种优异的催化剂载体，负载异质结ru基催化剂，以实现高活性、高稳定性和高co抗毒性hor催化剂的构建，具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种双过渡金属mxene负载ru-cuo异质结碱性氢氧化电催化剂的合成方法及其应用，本发明的催化剂，以双过渡金属mxene作为载体，负载ru-cuo异质结，解决了现有ru基催化剂在碱性介质中催化活性低、稳定性差和在高电位下被氧化的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种双过渡金属mxene负载ru-cuo异质结碱性氢氧化电催化剂的合成方法，先以max相的双过渡金属mo2tialc2为前驱体，对其进行刻蚀和插层剥离得到单层mo2tic2t xmxene，然后将得到的单层mo2tic2t xmxene粉末与三氯化钌和氯化铜混合即可得到ru-cuo/mxene催化剂。

4、进一步地，上述制备方法包括如下步骤：

5、第一步，称取mo2tialc2，加入hf，将其置于55℃油浴锅内搅拌24~96h，得到混合溶液a；

6、第二步，用乙醇、去离子水离心洗涤第一步得到的混合溶液a，直至ph为4~5后，收集上层悬浮液，并将其在-160℃下冷冻干燥24~72h，得到多层mo2tic2t xmxene粉末；

7、第三步，称取多层mo2tic2t xmxene粉末，加入四丁基氢氧化铵，室温下搅拌24~72h，得到混溶液b；

8、第四步，用乙醇、去离子水离心洗涤第三步得到的混合溶液b，直至ph为5~6后，收集上层悬浮液，并将其-160℃下冷冻干燥24~72h，得到单层mo2tic2t xmxene粉末；

9、第五步，称取单层mo2tic2t xmxene粉末、rucl3·xh2o和cucl2·6h2o溶解在去离子水中，搅拌10~30分钟，得到混合溶液c；

10、第六步，称取硼氢化钠，加入去离子水中，搅拌均匀后加入混合溶液c，搅拌10~30分钟，得到混合溶液d；

11、第七步，将混合溶液d用去离子水洗涤若干次，然后将其-160℃下冷冻干燥，得到ru-cuo/mxene催化剂。

12、进一步地，第一步中所述mo2tialc2与hf的用量比为1~10g：10~100ml。

13、进一步地，第三步中所述多层mo2tic2t xmxene粉末与四丁基氢氧化铵的用量比为1~10g：10~100ml。

14、进一步地，第五步中所述单层mo2tic2t xmxene粉末、rucl3·xh2o、cucl2·6h2o和去离子水的用量比为1~100mg：10~200mg：1~75mg：1~50ml。

15、进一步地，第六步中所述硼氢化钠与去离子水的用量比为10~300mg：1~20ml。

16、一种双过渡金属mxene负载ru-cuo异质结碱性氢氧化电催化剂在碱性介质中电催化氢氧化中的应用。

17、本发明的有益效果如下：

18、1. 本发明首次以双过渡金属mxene为载体，负载ru-cuo异质结制备碱性氢氧化电催化剂。该催化剂活性金属位点为ru，过渡金属cu进行修饰，催化剂的成本远低于商业pt/c催化剂，且相较于传统cr和pb等金属修饰，该催化剂具有更好的环境友好优势。此外，该催化剂采用水相一锅法进行合成，制备方法简单，具有可操作性，普适性较强，工业生产成本较低，具备大规模工业化生产和替代现有的pt基hor催化剂的潜质。

19、2. 本发明所制备的hor催化剂在碱性介质（0.1 m koh）中展示出优异的电催化hor性能：该催化剂的hor性能完全可以与商业pt/c催化剂相媲美，在氢气饱和的0.1 m koh中，动力学电流密度和交换电流密度分别可达7.54ma cm–2和1.31ma cm–2（几何面积）；催化稳定性和抗co毒性测试均优于商业pt/c催化剂，在1000 ppmco/h2存在下，连续反应2000 s后，hor性能仍可保持80%；并通过cu-欠电位测试得出，该催化剂电化学活性面积211.23m2metal/ gmetal，是商业pt/c催化剂的2倍，在50 mv（vs rhe）过电压下，质量电流密度为160.74ma mg–1ru，是商业pt/c催化剂的10倍。该催化剂表现出良好的氢氧化活性和优异的稳定性，对碱性氢燃料电池技术开发具有重要意义。