CN116534920A - 一种用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,包括以下步骤:将乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶、钾盐溶于乙醇溶液中,经蒸发、结晶得到固体,将固体研磨后煅烧,再将煅烧后的固体研磨后,加入乙醇溶液,经超声、离心、真空干燥,得到用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂。采用Ru盐和Sr盐代替Pt盐,可降低生产成本,且制备过程简单,制得的片状SrRuO3纳米催化剂的过电位可低至22mV,同时,具有较高的HER活性和较强的稳定性,可用于电解水析氢中。
Description
技术领域
本发明涉及于新能源材料技术及电化学催化技术领域,具体涉及一种用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法。
背景技术
随着经济的发展,全球对于能源的需求不断上升,有限的化石能源终有枯竭的一天。且化石燃料的使用伴随着二氧化碳等温室气体的产生,加重了全球气候变暖问题。开发代替传统化石能源的清洁新能源成为社会发展的重中之重。氢能具有清洁、无污染、获取途径广泛等优点被认为是一种理想的能源载体。氢气作为一种可持续的、环保的、高能量密度的能量载体,已经引起了广泛关注。相比于传统化石能源制氢,电催化水裂解制氢表现出更大的优势。开发优异的电催化析氢(HER)催化剂,对可再生能源的开发与利用起着至关重要的作用。
目前研究表明,贵金属铂(Pt)是HER性能最优的催化剂,但由于其价格昂贵,地球储量有限,严重制约了其大规模商业化应用。钌(Ru)的价格相对便宜且Ru-H键与Pt-H键具有相似的结合能,使其表现出优异的HER性能。此外,Ru对水的解离和OH-的化学吸附优于其它金属,使其在碱性和中性介质中具有优异的HER活性,是取代Pt基催化剂的理想选择,引起了人们的广泛关注。
虽然Ru基催化剂具有很大的潜力,但其研究和工业应用仍处于起步阶段,且Ru基催化剂在电解质中的电化学稳定较差,现有技术中,CN112877713A公开了一种基于钙钛矿结构的氧化钌和钌酸锶的复合纳米材料的制备方法,采用六水合氯化锶、氯化钌作为原料,于1000℃的管式炉下空气中煅烧12h得到钌酸锶纳米粒子,煅烧温度高且煅烧时间长。CN106390974B公开了一种高效光催化剂SrTiO3的制备方法,采用乙酰丙酮锶和钛酸异丙酯作为原料,通过热分解法制备钛酸锶的前驱体,再于300-900℃下煅烧1-3h得到钛酸锶,其中,乙酰丙酮锶、液体钛酸异丙酯和有机溶剂混合,溶解,随后在一定温度和高纯氩气作为保护气气氛中发生了化学反应生成了SrTiO3前驱体,这一步涉及液相反应,要求产物在无氧且有氩气保护气的气氛中才能得到产物,反应条件较为苛刻。CN113265681A公开了原子级均分散的钌基多元金属氧化物材料及其制备方法和应用,乙酰丙酮钌作为原料与碱土金属(钾盐)、过渡金属盐或主族金属盐采用溶胶-凝胶法制备钌基多元金属氧化物材料,所使用的丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基己酰胺、四氢呋喃等有机溶剂毒性较大,操作制备过程危险性高,制备过程复杂且通过加入环氧化合物形成果冻状凝胶/沉淀的过程中可能会存在金属离子配位不均匀的现象,高温煅烧时聚集成大颗粒,导致在制备的钌基多元金属氧化物在催化剂中分布不均匀,不利于活性位点的暴露。
因此,在较为温和易实现的条件下开发高活性高稳定性的钌基催化剂用于电催化析氢,具有重大的现实意义。
发明内容
针对上述现有技术,本发明的目的是提供一种用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法。该方法利用乙酰丙酮钌和乙酰丙酮锶作为钌源和锶源,钾盐作为模板,采用简单的煅烧制得的片状SrRuO3纳米催化剂,制备过程较为温和易实现、无毒,所制得的片状SrRuO3纳米催化剂具有极低的过电位和良好的稳定性,可广泛用于电解水析氢。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明的第一方面,提供一种用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶和钾盐溶于乙醇溶液中,得混合液;
(2)将混合液经蒸发、结晶,得到固体,对固体进行煅烧处理,将煅烧后的固体进行研磨,并加入乙醇,经超声、离心、真空干燥后,即得用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂。
优选的,乙醇溶液中乙醇和去离子水的质量比为1:(0.1-1)。
优选的, 步骤(1)中,所述钾盐为硝酸钾、溴化钾或氯化钾中的一种。
优选的,步骤(1)中,乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶、钾盐和乙醇溶液的加入量为1mmol:(1-2)mmol:(1-10)mmol:(0.1-1)L。
优选的,步骤(2)中,所述蒸发方式为水浴蒸发,蒸发温度为70℃。
优选的,步骤(2)中,研磨后的固体与乙醇的加入量为1g:100mL。
优选的,步骤(2)中,离心转速为8000rpm,离心时间为5min。
优选的,步骤(2)中,煅烧温度为200-700℃,煅烧时间为1-5h。
优选的,步骤(2)中,真空干燥的温度为60℃,真空干燥时间为3h。
本发明的第二方面,提供了一种片状SrRuO3纳米催化剂。
本发明的第三方面,提供了一种片状SrRuO3纳米催化剂在电催化水析氢中的应用。
本发明的有益效果:
本发明选用价格较便宜的乙酰丙酮钌和乙酰丙酮锶替代贵金属Pt作为原料制备可用于电催化水析氢的SrRuO3纳米催化剂,降低了催化剂的制备成本。现有技术中,Ru基催化剂在电解质中的电化学稳定较差,本发明制得的片状SrRuO3纳米催化剂具有较大的电化学活性面积和较高的HER活性和稳定性,在电流密度为10 mA/cm2时过电位仅为22 mV,远高于商业20%Pt/C。
具体的,本发明的乙酰丙酮钌和乙酰丙酮锶呈熔融态,Ru原子和Sr原子在钾盐模板上扩散重新结晶形成片状的SrRuO3,片状结构的催化剂有较大的比表面积可以暴露出更多的活性位点使催化剂具有较大的电化学活性面积,暴露出的活性位点越多HER的活性越高,同时二维的片状结构也有利于催化反应过程中电子的转移和生成氢气的扩散,这也有利于HER的进行,乙酰丙酮钌和乙酰丙酮锶中热分解原位形成的碳不仅可以提高催化剂的导电性也避免了反应过程中活性物质SrRuO3与电解液直接接触溶解导致催化剂失活的发生,因此提高了催化剂的稳定性。
本发明采用乙酰丙酮钌和乙酰丙酮锶作为钌源和锶源,相较于氯化锶、氯化钌等,乙酰丙酮钌和乙酰丙酮锶中除了含有必备的钌元素和锶元素外,还含有碳源。原位合成的碳可以提高SrRuO3纳米催化剂的导电性,同时,原位合成的碳也可以作为SrRuO3纳米催化剂的骨架结构,避免活性物质SrRuO3发生电化学反应时与电解液直接接触溶解,催化剂失活的现象,使催化剂有一个较好的稳定性。
本发明制备SrRuO3纳米催化剂时,将乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶和钾盐溶于乙醇溶液后,将所得混合液进行蒸发结晶处理,相较于现有技术中采用的直接研磨的方式,蒸发结晶能使原料混合的更加均匀,使后续反应中制备的材料中片层SrRuO3的均一性更好,纯净度更高。现有技术中,制备钌酸锶所需煅烧温度为1000℃,为降低煅烧温度,采用无氧和有氩气保护气的气氛下进行液相反应,或采用毒性较大的有机溶剂,反应条件较为苛刻,不易于工业生产。而本发明采用乙酰丙酮钌和乙酰丙酮锶作为原料,仅通过蒸发结晶和煅烧即可制得片状SrRuO3纳米催化剂,蒸发结晶温度和煅烧温度较低易实现,整体制备工艺简单,且整个过程无需特殊昂贵的设备,适合于工业化生产,可广泛用于电解水析氢。
附图说明
图1:实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂的STEM(扫描透射电镜)的Mapping图像;
图2:实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂的STEM的线扫图像;
图3:实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂的STEM图像;
图4:实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂在1M KOH电解液的线性扫描伏安(LSV)曲线;
图5:实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂在1M KOH电解液的时间-电流(I-T)曲线;
图6:实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂在1M KOH电解液的双电层电容曲线。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所述,Ru催化剂既有优异的HER性能,但在电解质中的电化学稳定性较差,催化活性也较低,现有技术中,为了增强Ru基催化剂的活性及稳定性,通过构建异质结构、或在Ru催化剂中引入第二种、第三种金属等手段,以增强Ru催化剂的稳定性和催化活性,同时,现在技术中钌酸锶的制备所需煅烧温度高达1000℃,为降低煅烧温度选用毒性较大的有机溶剂,或采用无氧且氩气保护气的气氛下进行液相反应,反应条件极为苛刻,反应不易实现,不适合工业化生产。
基于此,本发明提供了一种用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将乙醇和去离子水按体积比1:(0.1-1)混匀后,得到乙醇溶液;
将乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶、钾盐和乙醇溶液按照加入量为1mmol:(1-2)mmol:(1-10)mmol:(0.1-1)L混合均匀后,得到混合液;
(2)将混合液于70℃下进行水浴加热蒸发至蒸干、结晶,得到固体,将固体于200-700℃下煅烧1-5h,研磨煅烧后的固体,加入乙醇,研磨后的固体与乙醇的加入量为1g:100mL,经超声、8000rpm下离心5min、60℃下真空干燥3h后,即得用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂。
本发明采用乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶作为原料,仅通过蒸发结晶和煅烧即可得到钌基催化剂,反应条件温和易实现,且本发明制得的片状SrRuO3纳米催化剂具有较高的稳定性和较低的过电位,可用于电解水析氢。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案,以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料,均可通过商业渠道购买得到。
实施例1:片状SrRuO3纳米催化剂的制备
(1)将60mL乙醇和10mL去离子水混合均匀后,得到乙醇溶液,将1mmol乙酰丙酮钌、1mmol乙酰丙酮锶、6mmol溴化钾溶于70mL乙醇溶液中,得混合液;
(2)将混合液于70℃下进行水浴加热蒸发至蒸干、结晶,得到固体,将固体于350℃下煅烧2h,待冷却至室温后,将煅烧后的固体进行研磨,再加入乙醇溶液,研磨后的固体与乙醇溶液的加入量比为1g:100mL,经超声、于8000rpm离心5min、于60℃真空干燥3h后,得到用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂。
实施例2:片状SrRuO3纳米催化剂的制备
(1)将60mL乙醇和10mL去离子水混合均匀后,得到乙醇溶液,将1mmol乙酰丙酮钌、1mmol乙酰丙酮锶、6mmol溴化钾溶于70mL乙醇溶液中,得混合液;
(2)将混合液于70℃下进行水浴加热蒸发、结晶,得到固体,将固体于550℃下煅烧2h,待冷却至室温后,将煅烧后的固体进行研磨,再加入乙醇溶液,经研磨后的固体与乙醇溶液的加入量比为1g:100mL,经超声、于8000rpm离心5min、于60℃真空干燥3h后,得到用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂。
实施例3:片状SrRuO3纳米催化剂的制备
(1)将60mL乙醇和10mL去离子水混合均匀后,得到乙醇溶液,将1mmol乙酰丙酮钌、1mmol乙酰丙酮锶、6mmol溴化钾溶于70mL乙醇溶液中,得混合液;
(2)将混合液于70℃下进行水浴加热蒸发、结晶,得到固体,将固体于700℃下煅烧2h,待冷却至室温后,将煅烧后的固体进行研磨,再加入乙醇溶液,研磨后的固体与乙醇溶液的加入量比为1g:100mL,经超声、于8000rpm离心5min、于60℃真空干燥3h后,得到用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂。
实施例4:片状SrRuO3纳米催化剂的制备
(1)将乙醇和去离子水按照体积比1:0.1混合均匀后,得到乙醇溶液,将乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶、硝酸钾和乙醇溶液按照1mmol:1mmol:1mmol:0.1L混合后,得到混合液;
(2)将混合液于70℃下进行水浴加热蒸发、结晶,得到固体,再将固体于200℃下煅烧5h,待冷却至室温后,将煅烧后的固体进行研磨,再加入乙醇溶液,研磨后的固体与乙醇溶液的加入量比为1g:100mL,经超声、于8000rpm离心5min、于60℃真空干燥3h后,得到用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂。
实施例5:片状SrRuO3纳米催化剂的制备
(1)将乙醇和去离子水按照体积比1:1混合均匀后,得到乙醇溶液,将乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶、硝酸钾和乙醇溶液按照1mmol:2mmol:10mmol:1L混合后,得到混合液;
(2)将混合液于70℃下进行水浴加热蒸发、结晶,得到固体,再将固体于700℃下煅烧1h,待冷却至室温后,将煅烧后的固体进行研磨,再加入乙醇溶液,研磨后的固体与乙醇溶液的加入量比为1g:100mL,经超声、于8000rpm离心5min、于60℃真空干燥3h后,得到用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂。
试验例1:片状SrRuO3纳米催化剂结构分析
采用扫描透射电子显微镜对实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂分析,结果如图1-图3所示。
由图1和图2可以看出,实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂在微观形貌上具有片状结构,且Sr、Ru、O三种元素均匀分布。
由图3可以看出,片状SrRuO3纳米催化剂的晶格间距为0.196nm,对应着SrRuO3的(040)晶面。
试验例2:片状SrRuO3纳米催化剂性能测试
1.取2mg实施例1制得的用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂分散于300μLNafion/乙醇混合溶液中,超声处理30min,得到催化剂悬浊液;对玻碳电极进行抛光打磨处理并自然干燥,取5μL催化剂悬浊液滴到面积为0.07cm2的玻碳电极上并在室温下干燥。
2. 在上海辰华电化学工作站进行所有的电化学测试。
将实施例1制得的用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的电催化析氢性能在标准的三电极体系中测试,电解液为1 M KOH,石墨棒、玻碳电极和汞/氧化汞电极分别用作对电极、工作电极和参比电极,采用LSV法测试其作为单一催化剂的HER活性,其中,LSV极化曲线的扫描速率为1 mV/s,催化剂的负载量为0.47 mg·cm-2,在LSV极化曲线测试之前要进行IR补偿测试,通过40 h的I-T测试曲线来反映催化剂的稳定性,如图4-图6所述。
由图4可以看出,片状SrRuO3纳米催化剂在1M KOH电解质中表现出超高的电催化析氢活性,本发明实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂在电流密度为10mA/cm2时过电位仅为22 mV,远低于基准催化剂商业20% Pt/C催化剂在电流密度10 mA/cm2的过电位34 mV。
由图5可以看出,实施例1制得的片状SrRuO3纳米催化剂在经过40 h I-T测试其电流密度几乎没有任何衰减,其表现出超强的稳定性。
有图6可以看出,片状SrRuO3纳米催化剂具有一个较大的电化学活性面积,双电层电容值为26.8 mF·cm-2。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶和钾盐溶于乙醇溶液中,得混合液;
(2)将混合液经蒸发、结晶得到固体,对固体进行煅烧处理,将煅烧后的固体进行研磨,并加入乙醇溶液,经超声、离心、真空干燥后,即得用于电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂。
2.如权利要求1所述的电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述钾盐为硝酸钾、溴化钾或氯化钾中的一种。
3.如权利要求1所述的电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,其特征在于,乙醇溶液中乙醇和去离子水的质量比为1:(0.1-1)。
4.如权利要求1所述的电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,乙酰丙酮钌、乙酰丙酮锶、钾盐和乙醇溶液的加入量为1mmol:(1-2)mmol:(1-10)mmol:(0.1-1)L。
5.如权利要求1所述的电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述蒸发方式为水浴蒸发,蒸发温度为70℃。
6.如权利要求1所述的电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,煅烧温度为200-700℃,煅烧时间为1-5h。
7.如权利要求1所述的电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,研磨后的固体与乙醇的加入量为1g:100mL。
8.如权利要求1所述的电催化水析氢的片状SrRuO3纳米催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,离心转速为8000rpm,离心时间为5min;真空干燥的温度为60℃,真空干燥时间为3h。
9.权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的片状SrRuO3纳米催化剂。
10.权利要求9所述的片状SrRuO3纳米催化剂在电催化水析氢中的应用。
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GR01 | Patent grant | ||
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