一种钌基双功能燃料电池催化剂及其制备方法和应用

本发明属于电化学领域，具体涉及一种钌基双功能燃料电池催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能转化为电能的重要电化学器件，是推动经济可持续发展的关键技术之一。与传统热循环系统不同，燃料电池不受卡诺循环限制，具有较高的能量转化效率。现有技术中燃料电池催化剂通常为铂基催化剂，但要实现燃料电池大批量生产和商业化，必须考虑到铂的高价格，近几十年来，人们致力于开发高性能、稳定的电催化剂来替代或减少质子交换膜燃料电池中氧还原和氢氧化的铂基催化剂用量。钌作为具有和铂相似性质的贵重金属，要比铂便宜得多，价位只有铂的10%左右。多功能催化剂是具备同时催化多种反应功能的物质。该类物质一般具有多种催化活性中心，在其作用下，可在一个反应过程中完成多步不同类型的催化反应。相较于在氢析出和氧析出上的双功能催化研究，钌用于氢氧化和氧还原的双功能催化鲜见于报道。因此，开发高性价比的钌基双功能燃料电池催化剂对燃料电池实际应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中燃料电池里阴极和阳极催化剂不同和双功能催化剂稀缺的问题。本发明提供了一种钌基双功能燃料电池催化剂及其制备方法和应用。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的目的之一在于提供一种钌基双功能燃料电池催化剂的制备方法，所述方法：

4、s1：将葡萄糖水合物溶于去离子水中，超声，加入nh4cl，继续反应，得到透明粘稠溶液；

5、s2：向s1的透明粘稠溶液中加入纳米mgo，反应完成后，干燥，煅烧，得到包裹mgo的多孔含氮碳纳米球；

6、s3：研磨s2的包裹mgo的多孔含氮碳纳米球，加入h2so4，水热条件下酸洗去除mgo，洗涤，过滤，干燥，得到含氮球壳状多孔纳米碳材料；

7、s4：将s3所述的含氮球壳状多孔纳米碳材料分散于去离子水和乙醇中，超声震荡，得到混合溶液；

8、s5：调节s4的混合溶液ph为碱性，加入rucl3溶液，进行水热反应，洗涤，过滤，干燥，煅烧，得到钌基双功能燃料电池催化剂。

9、进一步限定，s1中葡萄糖水合物与去离子水的质量比为1:1-1.5，葡萄糖水合物与nh4cl的质量比为1-2:1。

10、进一步限定，s2的纳米mgo与s1的葡萄糖水合物质量比为2-3:1。

11、进一步限定，s2的煅烧条件是在通ar条件下升温速率为5℃min-1，升温至800-900℃，煅烧时间为1-2h。

12、进一步限定，s3的h2so4浓度为1mol/l。

13、进一步限定，s3的水热反应温度为80-85℃，时间为10-12h。

14、进一步限定，s4中含氮球壳状多孔纳米碳材料浓度为0.4-1wt%，乙醇的浓度为15-20wt%。

15、进一步限定，s5的ph值为8-9，rucl3溶液浓度为1wt%，水热反应温度为120-130℃，时间为10-12h，煅烧条件是在通h2条件下升温速率为5℃min-1，升温至300-500℃，煅烧时间为1-2h，ru的负载量为0.4-1wt%。

16、本发明的目的之二在于提供一种钌基双功能燃料电池催化剂，所述钌基双功能燃料电池催化剂由上述制备方法制备而成。

17、本发明的目的之三在于提供一种上述钌基双功能燃料电池催化剂在燃料电池中的应用。

18、与现有技术相比，本发明的具体优点如下：

19、（1）本发明提供的钌基双功能燃料电池催化剂，有较大的比表面积和丰富的孔结构，有利于燃料电池的实际传质和应用，该催化剂在酸性介质下表现出极好的氧还原反应和氢氧化反应的电催化活性和稳定性，组装成氢氧燃料电池后，本发明制备的钌基双功能燃料电池催化剂实际放电性能可以达到铂基催化剂的70%，而且钌的价格只有铂的10%左右，可以实现用钌替代铂，降低燃料电池成本；

20、（2）本发明制备的钌基双功能燃料电池催化剂，可以作为燃料电池阴极和阳极的催化剂，具备氧还原和氢氧化双重特性，且本发明的制备方法简单，操作方便，有利于工业化生产；

21、（3）本发明首次使用葡萄糖包裹硬模板纳米mgo的方法来制备含氮球壳状多孔纳米碳材料，采用nh4cl作为氮源和前驱体，利用其在高温下易挥发的特点，在碳材料中产生大量的孔结构，同时也能提高材料的掺n含量。利用水热和高温还原反应将钌附着于含氮球壳状多孔纳米碳材料上，从而形成有多种活性位点的钌基双功能燃料电池催化剂，通过含氮球壳状多孔纳米碳材料的n、c和负载钌共同作用，才可以作为燃料电池阴极和阳极的催化剂。

技术特征：

1.一种钌基双功能燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中葡萄糖水合物与去离子水的质量比为1:1-1.5，葡萄糖水合物与nh4cl的质量比为1-2:1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2的纳米mgo与s1的葡萄糖水合物质量比为2-3:1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2的煅烧条件是在通ar条件下升温速率为5℃min-1，升温至800-900℃，煅烧时间为1-2h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s3的h2so4浓度为1mol/l。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s3的水热反应温度为80-85℃，时间为10-12h。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s4中含氮球壳状多孔纳米碳材料浓度为0.4-1wt%，乙醇的浓度为15-20wt%。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s5的ph值为8-9，rucl3溶液浓度为1wt%，水热反应温度为120-130℃，时间为10-12h，煅烧条件是在通h2条件下升温速率为5℃min-1，升温至300-500℃，煅烧时间为1-2h，ru的负载量为0.4-1wt%。

9.一种钌基双功能燃料电池催化剂，其特征在于，所述钌基双功能燃料电池催化剂由权利要求1-8任一项制备方法制备而成。

10.权利要求9所述的钌基双功能燃料电池催化剂在燃料电池中的应用。

技术总结一种钌基双功能燃料电池催化剂及其制备方法和应用。本发明属于电化学领域。本发明解决了现有技术中燃料电池里阴极和阳极催化剂不同和双功能催化剂稀缺的问题。本发明以葡萄糖为碳源，NH<subgt;4</subgt;Cl为N源，纳米MgO为模板，在惰性气氛下高温热解反应得到包裹MgO的多孔含氮碳纳米球，再通过酸洗去除MgO模板，得到多孔球壳状含氮碳纳米材料。本发明制备的钌基双功能燃料电池催化剂是将钌负载于含氮球壳状多孔纳米碳材料上，具有氢氧化和氧还原双功能，钌基双功能燃料电池催化剂作为阴、阳极催化剂组装成氢氧燃料电池后，它的实际放电性能约为铂基催化剂的70%，可有效替代铂催化剂，降低燃料电池成本，有利于工业化的普及和使用。技术研发人员：臧健,李先文,肖琪,许广举,杨辉受保护的技术使用者：常熟理工学院技术研发日：技术公布日：2025/1/6