CN111715245A - 基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂及其制备方法 - Google Patents
基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111715245A CN111715245A CN201910217816.2A CN201910217816A CN111715245A CN 111715245 A CN111715245 A CN 111715245A CN 201910217816 A CN201910217816 A CN 201910217816A CN 111715245 A CN111715245 A CN 111715245A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rute
- catalyst
- crystalline
- catalytic activity
- high catalytic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 131
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 115
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title claims description 68
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims description 18
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 12
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 28
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 21
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- YBCAZPLXEGKKFM-UHFFFAOYSA-K ruthenium(iii) chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Cl-].[Ru+3] YBCAZPLXEGKKFM-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 16
- VOADVZVYWFSHSM-UHFFFAOYSA-L sodium tellurite Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Te]([O-])=O VOADVZVYWFSHSM-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 16
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 11
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 11
- 102000020897 Formins Human genes 0.000 claims description 10
- 108091022623 Formins Proteins 0.000 claims description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 10
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 8
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 8
- -1 hydroxy carbon nanotubes Chemical compound 0.000 claims description 4
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 2
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 claims description 2
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 2
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 abstract description 12
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 abstract description 11
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 10
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 3
- 238000010923 batch production Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 abstract 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 abstract 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 51
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 21
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 17
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 11
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 9
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 9
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 9
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 9
- HKYSQNSSWMSNTN-UHFFFAOYSA-N 4-(2-aminoethoxy)-2-N,6-N-bis[4-[2-(dimethylamino)ethoxy]quinolin-2-yl]pyridine-2,6-dicarboxamide Chemical compound C1=CC=C2C(OCCN(C)C)=CC(NC(=O)C=3N=C(C=C(OCCN)C=3)C(=O)NC=3N=C4C=CC=CC4=C(OCCN(C)C)C=3)=NC2=C1 HKYSQNSSWMSNTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N iridium(IV) oxide Inorganic materials O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000001588 bifunctional effect Effects 0.000 description 4
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- DSVGQVZAZSZEEX-UHFFFAOYSA-N [C].[Pt] Chemical compound [C].[Pt] DSVGQVZAZSZEEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L dimercury dichloride Chemical class Cl[Hg][Hg]Cl ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000010335 hydrothermal treatment Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 1
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(IV) oxide Inorganic materials O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
- B01J27/02—Sulfur, selenium or tellurium; Compounds thereof
- B01J27/057—Selenium or tellurium; Compounds thereof
- B01J27/0576—Tellurium; Compounds thereof
-
- B01J35/33—
-
- B01J35/393—
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂的制备方法。所述的电解水催化剂以碳材料为基底，负载高结晶性RuTe2纳米粒子。本发明采用微波法和热处理工艺，在热诱导结晶作用下，RuTe2结晶性会随着热处理温度的升高而增强，其中金属Ru与半导体Te会发生协调作用而形成高催化活性电解水电催化剂，在不同pH电解液中均表现出优异的HER和OER性能，组装成两电极体系，表现出优于Pt/C‑RuO2的性能。本发明简单易行，生产成本低廉，适用于批量生产，可广泛应用于电解水工业、太阳能电解水制氢以及燃料电池和有机合成等领域。
Description
技术领域
本发明属于电解水技术领域，涉及一种基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂及其制备方法。
背景技术
氢能作为一种能量高、洁净的可再生能源，受到广泛关注。在众多的制氢方法中，电化学水解制氢是公认地较为简便和实用的方式。然而在设计全水解电解装置过程中，仍然存在着急需解决的问题：(1)在全水解的过程中，阴极处发生的析氢反应和阳极处发生的析氧反应所需要的过电位较高，即使公认的Pt/C、IrO2催化剂也同样面临着储存量低，成本高，稳定性差等问题；(2)材料在电解液中的不相容性，一些优异的HER催化剂并不具有OER性能，一些优异的OER的催化剂往往也不具有HER催化性能。因此急需开发一种在同种电解液中均表现出优异的HER和OER性能的双功能催化剂，以及可替代Pt、Ir的高效双功能电催化剂。
由于Ru-H与Pt-H具有相近的结合能，并且钌(Ru)的价格是铂(Pt)的十分之一，因此Ru被认为是可以替代Pt的高效HER催化剂。但是通常Ru颗粒在酸性环境中表现出较差的HER性能，在碱性环境中又表现出较差的稳定性；而RuO2虽然具有优异的OER性能，但是HER性能极差。因此寻求一种高效的双功能Ru基催化剂应用在全水解装置中具有重要意义。经研究发现，通过调控Ru与非贵金属元素之间的电子结构可以很好地提高它的HER性能，例如Li课题组利用水热和热处理过程可控合成了超小Ru2P纳米颗粒，加速Ru与C之间的电荷转移，优化了吸附氢的吉布斯自由能，从而表现出优于Pt/C的HER性能，但是并不具有OER性能[Chem.Commun.,2018,54,3343-3346.]。专利CN 108448128A公开了一种钌基碲化物作为阴极的燃料电池膜电极，且在阴极抗毒化和抗甲醇氧化性能上有着优异的表现，通过非贵金属C，S，P的加入可以调节Ru周围的电荷密度。但是引入Te，形成RuTe2来调控Ru周围的电子密度并同时优化HER和OER性能的研究尚未见报道。
发明内容
为解决现有的Ru基催化剂作为电解水催化剂分散性差、催化性能差且反应条件严苛的问题，本发明提供一种基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，按碳材料、亚碲酸钠和氯化钌的摩尔比为50:2:1～50:1:2，将碳材料分散在乙二醇中，依次加入亚碲酸钠和氯化钌，搅拌至混合均匀；
步骤2，对步骤1得到的混合溶液进行微波加热，抽滤，真空干燥得到前驱体产物；
步骤3，将前驱体产物置于300～600℃下进行热处理，处理结束后，冷却至室温，水洗，得到基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂。
优选地，步骤1中，所述的碳材料选自石墨烯，碳纳米管，羟基碳纳米管，氧化石墨烯，还原氧化石墨烯，炭黑，羧基碳纳米管等无定形碳或结晶碳。
优选地，步骤1中，所述的碳材料、亚碲酸钠和氯化钌的摩尔比为50:2:2。
优选地，步骤2中，所述的微波加热的功率为400～1000W，更优选为800～1000W，加热时间为1～10min。
优选地，步骤3中，所述的热处理过程中，热处理温度为400～600℃，升温速率为2～5℃min-1，保温时间为1～3h。
本发明还提供上述制备方法制得的基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂。
进一步地，本发明提供上述基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂在HER或OER电解水中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明为了控制活性颗粒的分散性，避免在催化过程中造成活性颗粒的团聚而导致的活性降低，引入了碳材料作为负载的基底材料，在热诱导作用下，碳材料基底上原位负载高结晶性RuTe2纳米颗粒。以石墨烯为载体，通过调控石墨烯、亚碲酸钠和氯化钌的摩尔比以及热处理温度，得到Ru与Te之间的电荷密度分布较好和催化活性优异且同时适用于HER和OER的双功能Ru基电解水催化剂。
附图说明
图1为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂的XRD图。
图2为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂的SEM图。
图3为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。
图4为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。
图5为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的全水解性能曲线图。
图6为实施例2制得的高催化活性和结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂的XRD图。
图7为实施例2制得的高催化活性和结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂的SEM图。
图8为实施例2制得的高催化活性和结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。
图9为实施例2制得的高催化活性和结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。
图10为实施例2制得的高催化活性和结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的全水解性能曲线图。
图11为实施例3制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-300(50:2:2)电解水催化剂的XRD图。
图12为实施例3所制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-300(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。
图13为实施例3所制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-300(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。
图14为实施例4制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-600(50:2:2)电解水催化剂的XRD图。
图15为实施例4所制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-600(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。
图16为实施例4所制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-600(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。
图17为实施例5制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:1)电解水催化剂的XRD图。
图18为实施例5所制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:1)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。
图19为实施例5所制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:1)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。
图20为实施例6制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:1:2)电解水催化剂的XRD图。
图21为实施例6所制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:1:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。
图22为实施例6所制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:1:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。
图23为对比例1所制得的RuTe2电解水催化剂的XRD图。
图24为对比例1所制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。
图25为对比例1所制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。
图26为对比例2所制得的RuTe2电解水催化剂的XRD图。
图27为对比例2所制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。
图28为对比例2所制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。
图29为对比例3所制得的RuTe2电解水催化剂的XRD图。
图30为对比例3所制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。
图31为对比例3所制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1
高催化活性和结晶性电解水催化剂RuTe2/Gr-400(50:2:2)的制备：将50mg石墨烯分散到含有50mL乙二醇的100mL烧杯中，依次加入36.9mg亚碲酸钠和43.6mg氯化钌，常温磁力搅拌至溶液混合均匀，利用固液微波合成萃取仪，设置参数功率800W，时间3min，使用去离子水清洗该混合物，过滤干燥后得到前驱体材料。取30mg前驱体材料，放置到坩埚中，在持续的N2氛围下，设置升温速率为2℃min-1，保温时间为2h，进行400℃热处理过程，待冷却到室温，将样品取出研磨得到基于高催化活性和结晶性RuTe2电解水催化剂，记为RuTe2/Gr-400(50:2:2)。
图1为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂的XRD图。从图中可以看出，RuTe2的各个特征峰明显清晰，符合标准PDF(44-1405)卡片，说明在最优比50：2：2时，在400℃最优热处理温度下，RuTe2电催化剂结晶性最好。
图2为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂的SEM图，在石墨烯表面，均匀分布着高结晶性RuTe2纳米颗粒。
图3为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。需要注意的是，所有案例所得到样品的电化学实验均在Bio-Logic VSP多通道电化学工作站上进行，采用标准的三电极体系，工作电极为铂碳电极，对电极为石墨电极，参比电极为饱和甘汞电极，所用的电势均相对于标准氢电势。在常温下(25℃)进行，每次实验均在N2饱和的1M KOH溶液中下或0.5M H2SO4溶液中进行性能测试。可以从图中看出，该催化剂性能远远优于商业Pt/C催化剂，表面最好结晶性的RuTe2电解水催化剂表现出最好的析氢催化性能。
图4为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。可以从图中看出，该催化剂性能远远优于商业IrO2催化剂，表面最好结晶性的RuTe2电解水催化剂表现出最好的析氧催化性能。
图5为实施例1制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的全水解性能曲线图。从图中可以看出，该催化剂组合成两电极体系，表现出优异的全水解性能，在达到10mA cm-2电流密度时所需要的电位为1.57V。
实施例2
高催化活性和结晶性电解水催化剂RuTe2/CNT-400(50:2:2)的制备：将50mg碳纳米管分散到含有50mL乙二醇的100mL烧杯中，依次加入36.9mg亚碲酸钠和43.6mg氯化钌，常温磁力搅拌至溶液混合均匀，利用固液微波合成萃取仪，设置参数功率800W，时间3min，使用去离子水清洗该混合物，过滤干燥后得到前驱体材料(RuTe2/CNT)。取30mgRuTe2/CNT材料，放置到坩埚中，在持续的N2氛围下，设置升温速率为2℃min-1，保温时间为2h，进行400℃热处理过程，待冷却到室温，将样品取出研磨得到基于高结晶性RuTe2电解水催化剂，记为RuTe2/CNT-400(50:2:2)。
图6为实施例2制得的高结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂的XRD图。从图中可以看出，RuTe2的各个特征峰明显清晰，符合标准PDF(44-1405)卡片，说明在最优比50:2:2时，400℃最优热处理温度下，RuTe2电催化剂结晶性也很好。
图7为实施例2制得的高结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂的SEM图，在碳纳米管壁上，均匀分布着高结晶性RuTe2纳米颗粒。
图8为实施例2制得的高结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/LKOH溶液中测得的HER性能曲线图。可以从图中看出，该催化剂性能也好于商业Pt/C催化剂。
图9为实施例2制得的高结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/LKOH溶液中测得的OER性能曲线图。可以从图中看出，该催化剂性能也好于商业IrO2催化剂。
图10为实施例2制得的高结晶性RuTe2/CNT-400(50:2:2)电解水催化剂在1mol/LKOH溶液中测得的全水解性能曲线图。从图中可以看出，该催化剂组合成两电极体系，依然表现出优异的全水解性能，在达到10mA cm-2电流密度时所需要的电位为1.62V。
实施例3
高催化活性和结晶性电解水催化剂RuTe2/Gr-300(50:2:2)的制备：将50mg石墨烯分散到含有50mL乙二醇的100mL烧杯中，依次加入36.9mg亚碲酸钠和43.6mg氯化钌，常温磁力搅拌至溶液混合均匀，利用固液微波合成萃取仪，设置参数功率800W，时间3min，使用去离子水清洗该混合物，过滤干燥后得到前驱体材料。取30mg前驱体材料，放置到坩埚中，在持续的N2氛围下，设置升温速率为2℃min-1，保温时间为2h，进行300℃热处理过程，待冷却到室温，将样品取出研磨得到基于高催化活性和结晶性RuTe2电解水催化剂，记为RuTe2/Gr-300(50:2:2)。
图11为实施例3制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-300(50:2:2)电解水催化剂的XRD图。从图中可以看出，RuTe2的各个特征峰明显清晰，符合标准PDF(44-1405)卡片，说明在最优比50:2:2时，在300℃热处理温度下，RuTe2电催化剂结晶性也很好。
图12为实施例3制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-300(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。从图中可以看出，电化学性能依然优于商业Pt/C催化剂。
图13为实施例3制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-300(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。从图中可以看出，电化学性能依然优于商业IrO2催化剂。
实施例4
高催化活性和结晶性电解水催化剂RuTe2/Gr-600(50:2:2)的制备：将50mg石墨烯分散到含有50mL乙二醇的100mL烧杯中，依次加入36.9mg亚碲酸钠和43.6mg氯化钌，常温磁力搅拌至溶液混合均匀，利用固液微波合成萃取仪，设置参数功率800W，时间3min，使用去离子水清洗该混合物，过滤干燥后得到前驱体材料。取30mg前驱体材料，放置到坩埚中，在持续的N2氛围下，设置升温速率为2℃min-1，保温时间为2h，进行600℃热处理过程，待冷却到室温，将样品取出研磨得到基于高催化活性和结晶性RuTe2电解水催化剂，记为RuTe2/Gr-600(50:2:2)。
图14为实施例4制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-600(50:2:2)电解水催化剂的XRD图。从图中可以看出，RuTe2的各个特征峰明显清晰，符合标准PDF(44-1405)卡片，说明在最优比50:2:2时，在600℃热处理温度下，RuTe2电催化剂结晶性也很好。
图15为实施例4制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-600(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。从图中可以看出，该材料表现出的电化学性能优于商业Pt/C催化剂。
图16为实施例4制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-600(50:2:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。从图中可以看出，该材料表现出的电化学性能优于商业IrO2催化剂。
实施例5
高催化活性和结晶性电解水催化剂RuTe2/Gr-400(50:2:1)的制备：将50mg石墨烯分散到含有50mL乙二醇的100mL烧杯中，依次加入36.9mg亚碲酸钠和21.8mg氯化钌，常温磁力搅拌至溶液混合均匀，利用固液微波合成萃取仪，设置参数功率800W，时间3min，使用去离子水清洗该混合物，过滤干燥后得到前驱体材料。取30mg前驱体材料，放置到坩埚中，在持续的N2氛围下，设置升温速率为2℃min-1，保温时间为2h，进行400℃热处理过程，待冷却到室温，将样品取出研磨得到基于高催化活性和结晶性RuTe2电解水催化剂，记为RuTe2/Gr-400(50:2:1)。
图17为实施例5制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:1)电解水催化剂的XRD图。从图中可以看出，RuTe2的各个特征峰明显清晰，符合标准PDF(44-1405)卡片，说明在400℃最优热处理温度下，反应物摩尔比为50:2:1时，RuTe2电催化剂结晶性也很好。
图18为实施例5制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:1)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。从图中可以看出，该材料表现出的电化学性能优于商业Pt/C催化剂。
图19为实施例5制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:2:1)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。从图中可以看出，该材料表现出的电化学性能优于商业IrO2催化剂。
实施例6
高催化活性和结晶性RuTe2电解水催化剂RuTe2/Gr-400(50:1:2)的制备：将50mg石墨烯分散到含有50mL乙二醇的100mL烧杯中，依次加入18.5mg亚碲酸钠和43.6mg氯化钌，常温磁力搅拌至溶液混合均匀，利用固液微波合成萃取仪，设置参数功率800W，时间3min，使用去离子水清洗该混合物，过滤干燥后得到前驱体材料。取30mg前驱体材料，放置到坩埚中，在持续的N2氛围下，设置升温速率为2℃min-1，保温时间为2h，进行400℃热处理过程，待冷却到室温，将样品取出研磨得到基于高催化活性和结晶性RuTe2电解水催化剂，记为RuTe2/Gr-400(50:1:2)。
图20为实施例6制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:1:2)电解水催化剂的XRD图。从图中可以看出，RuTe2的各个特征峰明显清晰，符合标准PDF(44-1405)卡片，说明在400℃最优热处理温度下，反应物摩尔比为50:1:2时，RuTe2电催化剂结晶性很好。
图21为实施例6制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:1:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。从图中可以看出，该材料表现出的电化学性能优于商业Pt/C催化剂。
图22为实施例6制得的高催化活性和结晶性RuTe2/Gr-400(50:1:2)电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。从图中可以看出，该材料表现出的电化学性能优于商业IrO2催化剂。
对比例1
将50mg石墨烯分散到到含有50mL乙二醇的100mL烧杯中，依次加入15mg亚碲酸钠和43.6mg氯化钌，常温磁力搅拌至溶液混合均匀，利用固液微波合成萃取仪，设置参数功率800W，时间3min，使用去离子水清洗该混合物，过滤干燥后得到前驱体材料。取30mg前驱体材料，放置到坩埚中，在持续的N2氛围下，设置升温速率为2℃min-1，保温时间为2h，进行400℃热处理，待冷却到室温，将样品取出研磨得到RuTe2电解水催化剂。
图23为对比例1制得的RuTe2电解水催化剂的XRD图。从图中可以看出，RuTe2的各个特征峰明显较弱，符合标准PDF(44-1405)卡片，说明在反应物摩尔比不在50:2:1～50:1:2范围时，即使在400℃热处理温度下，RuTe2电催化剂结晶性较差。
图24为对比例1制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。从图中可以看出，该催化剂表现出的性能一般，低于实施例制备的高结晶性RuTe2电解水催化剂。
图25为对比例1制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。从图中可以看出，该催化剂表现出的性能一般，低于实施例制备的高结晶性RuTe2电解水催化剂。
对比例2
将50mg石墨烯分散到到含有50mL乙二醇的100mL烧杯中，依次加入36.9mg亚碲酸钠和43.6mg氯化钌，常温磁力搅拌至溶液混合均匀，利用固液微波合成萃取仪，设置参数功率800W，时间3min，使用去离子水清洗该混合物，过滤干燥后得到前驱体材料。取30mg前驱体材料，放置到坩埚中，在持续的N2氛围下，设置升温速率为2℃min-1，保温时间为2h，进行200℃热处理过程，待冷却到室温，将样品取出研磨得到RuTe2电解水催化剂。
图26为对比例2制得的RuTe2电解水催化剂的XRD图。从图中可以看出，RuTe2的各个特征峰明显较弱，符合标准PDF(44-1405)卡片，说明即使在最优摩尔比50:2:2时，在200℃热处理温度下，RuTe2电催化剂结晶性较差。
图27为对比例2制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。从图中可以看出，该催化剂表现出的性能一般，低于实施例制备的高结晶性RuTe2电解水催化剂。
图28为对比例2制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。从图中可以看出，该催化剂表现出的性能一般，低于实施例制备的高结晶性RuTe2电解水催化剂。
对比例3
不使用碳材料，依次加入36.9mg亚碲酸钠和43.6mg氯化钌至含有50mL乙二醇的100mL烧杯中，常温磁力搅拌至溶液混合均匀，利用固液微波合成萃取仪，设置参数功率800W，时间3min，使用去离子水清洗该混合物，过滤干燥后得到前驱体材料。取30mg前驱体材料，放置到坩埚中，在持续的N2氛围下，设置升温速率为2℃min-1，保温时间为2h，进行400℃热处理过程，待冷却到室温，将样品取出研磨得到RuTe2电解水催化剂。
图29为对比例3制得的RuTe2电解水催化剂的XRD图。从图中可以看出，RuTe2的各个特征峰几乎没有，说明在不使用碳材料为基底，即使在最优摩尔比(50:2:2)和最优温度400℃热处理下，RuTe2电催化剂结晶性很差。
图30为对比例3制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的HER性能曲线图。从图中可以看出，该催化剂表现出来的性能是很差的。
图31为对比例3制得的RuTe2电解水催化剂在1mol/L KOH溶液中测得的OER性能曲线图。从图中可以看出，该催化剂表现出来的性能是很差的。
经过最优因素调控，实施例1得到的RuTe2电解水材料经过检测性能十分优越，并且本发明为生产高纯氢气作为可持续能源提供了可行的方法。因为具有工艺简单，适合于批量生产的工业化特点，本发明不仅辟了一个制备电催化剂的新途径，而且使得制备价格低廉且稳定的产氢电极材料成为一种可能，甚至可以拓展到光催化、燃料电池和有机合成等研究领域。
Claims (10)
1.基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，按碳材料、亚碲酸钠和氯化钌的摩尔比为50:2:1～50:1:2，将碳材料分散在乙二醇中，依次加入亚碲酸钠和氯化钌，搅拌至混合均匀；
步骤2，对步骤1得到的混合溶液进行微波加热，抽滤，真空干燥得到前驱体产物；
步骤3，将前驱体产物置于300～600℃下进行热处理，处理结束后，冷却至室温，水洗，得到基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的碳材料、亚碲酸钠和氯化钌的摩尔比为50:2:2。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的碳材料选自石墨烯，碳纳米管，羟基碳纳米管，氧化石墨烯，还原氧化石墨烯，炭黑或羧基碳纳米管。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的微波加热的功率为400～1000W。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的微波加热的功率为800～1000W。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的微波加热时间为1～10min。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的热处理过程中，热处理温度为400～600℃。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的热处理过程中，升温速率为2～5℃ min-1，保温时间为1～3h。
9.根据权利要求1至8任一所述的制备方法制得的基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂。
10.根据权利要求9所述的基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂在HER或OER电解水中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910217816.2A CN111715245B (zh) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | 基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910217816.2A CN111715245B (zh) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | 基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111715245A true CN111715245A (zh) | 2020-09-29 |
| CN111715245B CN111715245B (zh) | 2023-01-03 |
Family
ID=72562655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910217816.2A Active CN111715245B (zh) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | 基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111715245B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113265680A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-08-17 | 南京中科格特康科技有限公司 | 一种结晶性二硒化钌基催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113443610A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-09-28 | 常州大学 | 一种硒化钌纳米球电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN114657598A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-06-24 | 深圳信息职业技术学院 | 核壳结构催化剂及其制备方法和应用 |
| CN116675186A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-09-01 | 永氢(常州)能源科技有限公司 | 一种二碲化钌纳米管、制备方法及其应用 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108448128A (zh) * | 2018-02-26 | 2018-08-24 | 福建水利电力职业技术学院 | 一种用钌基碲化物作为阴极的燃料电池膜电极及制备方法 |
-
2019
- 2019-03-21 CN CN201910217816.2A patent/CN111715245B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108448128A (zh) * | 2018-02-26 | 2018-08-24 | 福建水利电力职业技术学院 | 一种用钌基碲化物作为阴极的燃料电池膜电极及制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| QING GONG，等: "Highly Stable and Methanol Tolerant RuTe2/C Electrocatalysts for Fuel Cell Applications", 《JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113265680A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-08-17 | 南京中科格特康科技有限公司 | 一种结晶性二硒化钌基催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113265680B (zh) * | 2021-05-20 | 2022-05-24 | 南京中科格特康科技有限公司 | 一种结晶性二硒化钌基催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113443610A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-09-28 | 常州大学 | 一种硒化钌纳米球电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113443610B (zh) * | 2021-07-09 | 2023-12-08 | 常州大学 | 一种硒化钌纳米球电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN114657598A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-06-24 | 深圳信息职业技术学院 | 核壳结构催化剂及其制备方法和应用 |
| CN114657598B (zh) * | 2022-03-21 | 2024-03-29 | 深圳信息职业技术学院 | 核壳结构催化剂及其制备方法和应用 |
| CN116675186A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-09-01 | 永氢(常州)能源科技有限公司 | 一种二碲化钌纳米管、制备方法及其应用 |
| CN116675186B (zh) * | 2023-06-20 | 2023-11-24 | 永氢(江苏)能源科技有限公司 | 一种二碲化钌纳米管、制备方法及其应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111715245B (zh) | 2023-01-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109252180B (zh) | 一种三元mof纳米片阵列材料、制备方法及其应用 | |
| CN110227496B (zh) | 一种纳米片组成的微球状Fe掺杂二硫化三镍纳米结构材料、制备方法及应用 | |
| CN111715245B (zh) | 基于高催化活性和结晶性RuTe2的电解水催化剂及其制备方法 | |
| CN113235104B (zh) | 一种基于zif-67的镧掺杂氧化钴催化剂及其制备方法与应用 | |
| CN113437314B (zh) | 氮掺杂碳负载低含量钌和Co2P纳米粒子的三功能电催化剂及其制备方法和应用 | |
| CN111672514A (zh) | 一种双功能电催化材料及其制备方法与应用 | |
| CN111883367B (zh) | 一种Cu掺杂氢氧化钴纳米片阵列结构材料及其制备方法和应用 | |
| CN106757143A (zh) | 一种水分解反应用催化电极及其制备方法 | |
| CN111450851B (zh) | 一种硫掺杂的钴基纳米析氧电催化剂的制备方法 | |
| CN110846678A (zh) | 一种泡沫镍负载作尿素电解辅助制氢双功能催化剂电极 | |
| CN112725819A (zh) | 一种钨钼基氮碳化物纳米材料及其制备方法与应用 | |
| CN113512738B (zh) | 三元铁镍钼基复合材料电解水催化剂、其制备方法和应用 | |
| US20230203675A1 (en) | Hydrogen evolution electrode and preparation method thereof | |
| CN115261915B (zh) | 一种含钴和镍的复合电催化剂及其制备方法和应用 | |
| CN114481204B (zh) | 一种磷化钴负载贵金属纳米材料的制备 | |
| Liu et al. | Metallic nickel anchored on amorphous nickel cobalt oxide nanorods as efficient electrocatalysts toward oxygen evolution reaction | |
| CN114561655A (zh) | 一种稀土铈掺杂硫化镍/硫化铁异质结材料的制备方法和应用 | |
| CN110065932B (zh) | 一种锂插入式硒类化合物、其制备方法及应用 | |
| CN114214636B (zh) | 一种含硒配体制备钴基纳米片自支撑电极的方法及应用 | |
| Lv et al. | Construction of RuSe2/MoOx hybrid and used as bi-functional electrocatalyst for overall water splitting | |
| CN114622242B (zh) | Ni/NiO纳米异质结多孔石墨碳复合材料及其制备方法与应用 | |
| CN115110113B (zh) | 一种棒状Co2C-MoN复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN115449693B (zh) | 一种框架结构高熵合金析氧催化剂的制备方法及其应用 | |
| CN115652357B (zh) | 一种硫掺杂的钌酸钇及其制备方法和析氧反应电极 | |
| CN114956019B (zh) | 一种熔盐介导的一步合成磷化钴的方法及其应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |