本發(fā)明涉及電化學(xué)催化，具體為一種模板法制備超細(xì)鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著社會的不斷發(fā)展，人類日益增長的能源需求導(dǎo)致了化石燃料的迅速消耗，與此同時化石燃料的燃燒帶來的污染導(dǎo)致了嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題，為緩解人類對自然資源的嚴(yán)重依賴，對清潔可再生能源技術(shù)的探索顯得尤為迫切。各種儲能和轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛，如太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器、燃料電池、金屬-空氣電池、電解水制氫等，其中析氧反應(yīng)(oer)是電解水制氫的關(guān)鍵反應(yīng)步驟，其反應(yīng)過程復(fù)雜，能量勢壘高，通常需要較大的過電位驅(qū)動。

2、目前，商用的oer催化劑是ruo2或iro2，但價格昂貴、貴金屬儲存量低、催化性能不理想、壽命較短等缺點限制了其廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)高性能、低貴金屬含量、低成本的析氧電催化劑是推動電解水制氫發(fā)展的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何降低析氧電催化劑中貴金屬含量，同時提高其催化性能。本發(fā)明以具有十二面體特征的zif8作為模板犧牲劑，能夠有效吸附釕、鎳金屬前驅(qū)體以抑制納米顆粒之間的團聚，達到制備均勻分散的超細(xì)納米顆粒催化劑效果。同時鎳摻雜優(yōu)化了材料的電荷分布，均勻分散的超細(xì)納米顆粒催化劑能夠充分暴露活性位點并與電解質(zhì)充分接觸反應(yīng)，從而提高了催化位點的本征活性，制備的析氧電催化劑催化性能優(yōu)異，超越了商業(yè)ruo2，應(yīng)用于電解水制氫時大大降低了析氧反應(yīng)的過電勢，提升了電解水反應(yīng)效率。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑，所述催化劑包括ruo2基體和均勻摻雜于基體的鎳元素，所述鎳元素的質(zhì)量為催化劑總質(zhì)量的5％-20％。

3、上述的一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑的制備方法，包括如下步驟：

4、s1：稱取鋅鹽、二甲基咪唑和去離子水混合攪拌，離心分離、干燥，得到犧牲模板zif8；

5、s2：將zif8加入去離子水中，再加入釕鹽和鎳鹽，在室溫下攪拌反應(yīng)后離心、洗滌、干燥得到負(fù)載釕鎳的前驅(qū)體材料；

6、s3：將前驅(qū)體材料進行燒結(jié)處理，得到鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑ni-ruo2。

7、優(yōu)選的，所述鋅鹽與二甲基咪唑的質(zhì)量比為1：0.8～1.5，所述鋅鹽在去離子水中的濃度為0.01～0.1g/ml。

8、優(yōu)選的，所述鋅鹽為六水合硝酸鋅、六水合氯化鋅、六水合醋酸鋅中的一種或幾種。

9、優(yōu)選的，所述zif8在去離子水中的濃度為0.001-0.1g/ml。

10、優(yōu)選的，所述zif8與釕鹽的質(zhì)量比為2～10：1，所述的釕鹽與鎳鹽的質(zhì)量比為5～20：1。

11、優(yōu)選的，所述釕鹽為氯化釕、雙(五甲基環(huán)戊烯)釕、二茂釕、(1,5-環(huán)辛二烯)氯化釕中的一種或幾種。

12、優(yōu)選的，所述鎳鹽為六水合硝酸鎳、六水合氯化鎳、六水合醋酸鎳中的一種或幾種。

13、優(yōu)選的，所述燒結(jié)處理的溫度為500-900℃、時間為2-8h，升溫速率為3-5℃/min，氣體氛圍為空氣。

14、任一上述的鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑應(yīng)用于電解水陽極的析氧反應(yīng)中。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

16、(1)本發(fā)明將鎳元素?fù)诫s到ruo2晶格之中，優(yōu)化了ruo2的電荷分布并提高了催化活性位點的本征活性，使得材料的析氧電催化劑催化性能提升，同時鎳摻雜減少了金屬釕的用量，降低了生產(chǎn)成本適合規(guī)?；苽洌?/p>

17、(2)本發(fā)明以zif8作為模板犧牲劑，zif8具有十二面體特征，能夠作為載體有效均勻分散地吸附釕鹽、鎳鹽金屬前驅(qū)體，達到減少納米顆粒之間團聚的目的并能夠有效分散金屬納米顆粒，為制備超細(xì)且均勻分散的納米顆粒催化劑創(chuàng)造條件，在空氣氛圍中煅燒即可移除模板，不需要氮氣、氬氣等惰性氣體保護，進一步降低了生產(chǎn)成本。

18、(3)本發(fā)明制備的催化劑作為電解水陽極反應(yīng)催化劑，與商業(yè)ruo2催化劑相比大大降低析氧反應(yīng)時的過電位，減少了電解水反應(yīng)的電耗，提高了反應(yīng)效率，降低了陽極催化劑成本，是理想的析氧反應(yīng)(oer)催化劑。

技術(shù)特征：

1.一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑，其特征在于，所述催化劑包括ruo2基體和均勻摻雜于基體的鎳元素，所述鎳元素的質(zhì)量為催化劑總質(zhì)量的5％-20％。

2.權(quán)利要求1所述的一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑的制備方法，其特征在于，所述鋅鹽與二甲基咪唑的質(zhì)量比為1：0.8～1.5，所述鋅鹽在去離子水中的濃度為0.01～0.1g/ml。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑的制備方法，其特征在于，所述鋅鹽為六水合硝酸鋅、六水合氯化鋅、六水合醋酸鋅中的一種或幾種。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑的制備方法，其特征在于，所述zif8在去離子水中的濃度為0.001-0.1g/ml。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑的制備方法，其特征在于，所述zif8與釕鹽的質(zhì)量比為2～10：1，所述的釕鹽與鎳鹽的質(zhì)量比為5～20：1。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑的制備方法，其特征在于，所述釕鹽為氯化釕、雙(五甲基環(huán)戊烯)釕、二茂釕、(1,5-環(huán)辛二烯)氯化釕中的一種或幾種。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑的制備方法，其特征在于，所述鎳鹽為六水合硝酸鎳、六水合氯化鎳、六水合醋酸鎳中的一種或幾種。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)處理的溫度為500-900℃、時間為2-8h，升溫速率為3-5℃/min，氣體氛圍為空氣。

10.權(quán)利要求1-9任一所述的鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑應(yīng)用于電解水陽極的析氧反應(yīng)中。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電化學(xué)催化技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種模板法制備超細(xì)鎳摻雜氧化釕電解水制氫催化劑及其應(yīng)用，所述催化劑包括RuO<subgt;2</subgt;基體和均勻摻雜于基體的鎳元素，所述鎳元素的質(zhì)量為催化劑總質(zhì)量的5％?20％。本發(fā)明將鎳元素?fù)诫s到RuO<subgt;2</subgt;晶格之中，優(yōu)化了RuO<subgt;2</subgt;的電荷分布并提高了催化活性位點的本征活性，使得材料的析氧電催化劑催化性能提升；同時以ZIF8為模板犧牲劑，減少了納米顆粒之間的團聚，能夠制備出均勻分散的金屬納米顆粒。

技術(shù)研發(fā)人員：賈海浪,吉鵬程,李紅城,滕洋,關(guān)明云,莊嚴(yán)
受保護的技術(shù)使用者：江蘇理工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17