【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及燃料電池以及水電解，具體為一種在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法及其應用。
技術介紹
1、鑒于全球化石能源危機及污染物(如sox、nox、細顆粒物)和溫室氣體排放的增加，迫切需要探索清潔和可持續的能源資源，以減少對化石能源的依賴。氫能因其高能量密度和無碳特性，被視為最清潔、最有前景的能源之一。通過利用可再生能源(如太陽能、風能、地熱能和潮汐能)分解水，可以獲取清潔的氫燃料。這些氫氣可用于氨生產、石油精煉、焦炭/鐵生產、燃料電池、電動汽車及家庭用途等。
2、在“氫經濟”中，首要挑戰是如何實現氫的可持續、高效且環保的生產。目前，工業制氫的主要方法包括甲烷重整、醇類裂解、煤炭氣化及電解水制氫，其中通過化石燃料生產的氫氣占比超過95％。雖然傳統的化石燃料制氫方法簡單，但產出的氫氣純度不高，同時消耗大量不可再生資源并產生溫室氣體及其他污染物，不符合可持續發展的需求。相比之下，電解水制氫技術展現出獨特的優勢和發展潛力。該技術以水為原料，生產過程中無污染排放，所產氫氣純度可高達99％以上。更重要的是，電解水制氫可以利用太陽能、風能、地熱能和潮汐能等可再生能源發電過程中產生的不穩定和間歇性的多余電力，有效解決了可再生能源的利用問題。
3、電解水技術生產的氫氣可替代化石燃料，用于汽車、輪船、航天器等移動設備的能源供應。而氫燃料電池是實現氫氣中化學能向機械能轉化的理想方案。它通過電化學反應將氫氣中的化學能直接、高效、無污染地轉化為電能。作為移動設備的能源系統，氫燃料電池具有顯著優
4、然而，氫氧根交換膜燃料電池的陽極堿性氫氧化反應(hor)和堿性水電解的陰極氫析出反應(her)目前面臨著反應動力學緩慢的問題，這限制了氫能源技術的發展。為了提高這些反應的速率，通常需要使用大量的鉑基電催化劑，但這種做法成本較高。因此，開發高性能、低成本的ru基堿性hor/her雙功能電催化劑成為了研究的熱點。然而，ru對吸附的羥基(ohad)具有較強的親和力，會抑制吸附氫(had)的形成。因此，開發在大電流密度下具有優異her活性，同時在寬電位范圍內保持高hor電流的ru基雙功能電催化劑，目前仍然是一個挑戰，這一領域幾乎未被充分探索。
技術實現思路
1、針對現有技術的不足，本專利技術提供了一種在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法及其應用，以解決上述
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中存在的問題。
2、為了實現上述目的，提供的技術方案如下：
3、一種在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
4、步驟一、制備導電碳載體，具體包括如下步驟：
5、步驟(1)、將n,n-二甲基甲酰胺、乙醇和去離子水在250ml圓底燒瓶中混合形成均勻溶液a；
6、步驟(2)、將對苯二甲酸和氯化鋅依次溶解于上述溶液a中，超聲處理；
7、步驟(3)、注入三乙胺并在一定溫度下攪拌8小時，形成混合物b；
8、步驟(4)、對混合物b進行過濾，產物用乙醇沖洗并在60℃下干燥，以形成粉末物質；
9、步驟(5)、將所得粉末進行熱處理12小時，然后在室溫下用0.5mol?l-1hno3溶液進行浸蝕處理，浸蝕后，用去離子水徹底洗滌并在真空中干燥過夜，收集得到導電碳載體；
10、步驟二、制備富含氧空位的二氧化鈦納米球，具體包括如下步驟：
11、步驟(1)、首先將乙醇、去離子水、十二胺和聚醚在100ml圓底燒瓶中超聲處理形成均勻溶液；
12、步驟(2)、然后注入鈦酸四丁酯，在一定溫度下劇烈攪拌1小時，形成絮狀物溶液c；
13、步驟(3)、室溫下將絮狀物溶液c陳化12小時后，離心收集白色產物；
14、步驟(4)、用乙醇/去離子水將白色產物洗滌三次，然后在60℃的烘箱中干燥12小時，收集得到二氧化鈦納米球；
15、步驟三、制備在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的電催化劑，具體包括如下步驟：
16、步驟(1)、在裝有去離子水的圓底燒瓶中加入富含氧空位的二氧化鈦納米球和ru金屬鹽，超聲處理使其均勻分散，然后加入導電碳載體，再次超聲處理使其形成均勻分散溶液d；
17、步驟(2)、在100℃的油浴中加熱溶液d，直至溶劑完全蒸發，留下黑色粉末；
18、步驟(3)、將得到黑色粉末置于氫氬混合氣氛中，在400～600℃溫度條件下進行退火處理，冷卻產物即為tio2晶格上外延生長扁平ru簇電催化劑。
19、進一步地，在步驟一中，所述的n,n-二甲基甲酰胺在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為2～12ml?ml-1；所述的對苯二甲酸在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為20～40mgml-1；所述的氯化鋅在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為20～50mg?ml-1；所述的三乙胺在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為0.1～0.5ml?ml-1。
20、進一步地，在步驟二中，所述的十二胺在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為3～7mg?ml-1；所述的聚醚在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為6～10mg?ml-1；所述的鈦酸四丁酯在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為0.006～0.01ml?ml-1。
21、進一步地，在步驟三中，所述的富含氧空位的二氧化鈦納米球在去離子水中的濃度為1～20mg?ml-1；所述的導電碳載體在去離子水中的濃度為1～20mg?ml-1；所述的ru金屬鹽在去離子水中的濃度為1～10mg?ml-1。
22、進一步地，在步驟一和步驟二中，所述的一定溫度為15～30℃；
23、進一步地，在步驟一、步驟二和步驟三中，所述超聲處理的時間為0.1～1小時；
24、進一步地，在步驟三中，所述的氫氬混合氣氛中的氫氣含量在1％至10％之間，氬氣含量在90％至99％之間；
25、進一步地，在步驟三中，所述的ru金屬鹽為氯化釕、羰基釕、硝酸釕、乙酰丙酮釕中的一種或多種。
26、本專利技術第二方面提供了一種在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的高效氫能轉化電催化劑。
27、本專利技術第三方面提供了一種在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的高效氫能轉化電催化劑在氫氧根交換膜燃料電池陽極的氫氧化反應以及電解水陰極的氫析出反應中的應用。
28、本專利技術的有益效果在于：
29、本專利技術通過一系列的步驟，包括高溫熱解、碳化、自組裝、濕法浸漬和低溫還原，成功制備了一種嵌入tio2晶格的獨特扁平ru簇電催化劑，界面處ru-o-ti鍵和ru-ti鍵共存。在ru-o-ti鍵中，由于ti原子電子匱乏，ohad傾向于優先吸附在ti位點本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于：在步驟一中，所述的N,N-二甲基甲酰胺在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為2～12mL?mL-1；所述的對苯二甲酸在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為20～40mg?mL-1；所述的氯化鋅在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為20～50mg?mL-1；所述的三乙胺在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為0.1～0.5mL?mL-1。
3.根據權利要求1所述的一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于：在步驟二中，所述的十二胺在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為3～7mg?mL-1；所述的聚醚在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為6～10mg?mL-1；所述的鈦酸四丁酯在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為0.006～0.01mL?mL-1。
4.根據權利要求1所述的一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催
5.根據權利要求1所述的一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于：在步驟一和步驟二中，所述的一定溫度為15～30℃。
6.根據權利要求1所述的一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于：在步驟一、步驟二和步驟三中，所述超聲處理的時間為0.1～1小時。
7.根據權利要求1所述的一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于：在步驟三中，所述的氫氬混合氣氛中的氫氣含量在1％至10％之間，氬氣含量在90％至99％之間。
8.根據權利要求1所述的一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于：在步驟三中，所述的Ru金屬鹽為氯化釕、羰基釕、硝酸釕、乙酰丙酮釕中的一種或多種。
9.根據權利要求1～8任一一種制備方法制備得到的一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催化劑。
10.權利要求9所述的一種在TiO2晶格上外延生長扁平Ru簇的高效氫能轉化電催化劑在氫氧根交換膜燃料電池陽極的氫氧化反應以及電解水陰極的氫析出反應中的應用。
...【技術特征摘要】
1.一種在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于：在步驟一中，所述的n,n-二甲基甲酰胺在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為2～12ml?ml-1；所述的對苯二甲酸在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為20～40mg?ml-1；所述的氯化鋅在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為20～50mg?ml-1；所述的三乙胺在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為0.1～0.5ml?ml-1。
3.根據權利要求1所述的一種在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于：在步驟二中，所述的十二胺在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為3～7mg?ml-1；所述的聚醚在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為6～10mg?ml-1；所述的鈦酸四丁酯在去離子水/乙醇混合溶液中的濃度為0.006～0.01ml?ml-1。
4.根據權利要求1所述的一種在tio2晶格上外延生長扁平ru簇的高效氫能轉化電催化劑的制備方法，其特征在于：在步驟三中，所述的富含氧空位的二氧化鈦納米球在去離子水中的濃度為1～20mg?ml-1；所述的導電碳載體在去離子水中的濃度為1～...
【專利技術屬性】
技術研發人員：叢媛媛，陳露云，祁玉蓉，周軒，李春雷，
申請(專利權)人：蘭州理工大學，
類型：發明
國別省市：
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