一种Ru单原子掺杂的Ni(OH)2耦合FeOOH的制备方法及其工业电流密度下电解水的应用

技术领域

本发明涉及工业化电化学水分解领域，特别涉及一种Ru单原子掺杂的Ni(OH)

背景技术

随着煤炭、石油、天然气等传统化石能源的不断消耗，全球能源危机和环境污染问题日益严峻，迫使研究人员寻找新的可替代能源。氢气具有能量密度高（142 MJ kg

在多孔泡沫镍基体上合成电催化材料具有诸多优点。第一，泡沫镍的大比表面积不仅可以增加电催化剂的负载量，还能暴露出更多催化活性位点；第二，电催化材料直接原位生长在泡沫镍上，这降低了电子传输时的阻抗；第三，泡沫镍具有一定的机械性能，在大量气泡的冲击下保证了自支撑电极的结构稳定。

Pt基和Ir/Ru基纳米材料被认为是最先进的HER和OER电催化剂。但是这些贵金属价格昂贵并且稳定性差，在大规模工业应用方面受到了限制。杂原子掺杂是一种有效降低合成催化剂成本和提高催化剂性能的方法。首先，杂原子可以使被掺入的催化剂材料的微观结构发生改变，尤其是可以调控电子结构，进而优化对反应中间体的吸附与脱附；其次，利用杂原子掺杂引起的晶格畸变使得催化剂的活性位点得以暴露；最后，杂原子本身具有较高的催化活性，在反应过程中也同时作为催化活性位点与主体材料一起协同提升催化剂的催化性能。

Ru基催化剂在电催化反应过程中具有较好的对反应中间体的吸脱附能力。不仅如此，Ru的价格远小于Pt，约为其价格的1/3。然而，Ru基催化剂的水解离的能力较差，因而对电催化活性产生了不利影响。通过将贵金属Ru以单原子的形式掺杂于其他材料中是一种提升电催化剂催化性能的有效方式。单原子掺杂的方法有很多，如离子交换法、电沉积法和电偶置换法等。然而，这些方法面临着合成工艺复杂、合成过程不可控和合成材料不稳定等问题。因此，设计和制备一种方法简单、成本低廉和催化性能优异的贵金属Ru单原子掺杂的大电流电催化剂具有重要的实际意义，同时也是需要亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种Ru单原子掺杂Ni(OH)

步骤一：对泡沫镍进行预处理，先将大小为2 × 4 cm

步骤二：将1.2mmol NiCl·6H

步骤三：将步骤二的混合溶液及预处理后的泡沫镍转移至100 mL聚四氟乙烯反应釜中，在120℃下反应12 h；

步骤四：将上述反应后的泡沫镍分别用去离子水和乙醇冲洗2-4次，然后真空干燥6 h，即可得到所述Ru

步骤五：将得到的Ru

根据本发明的另一个方面，提供了一种根据Ru单原子掺杂Ni(OH)

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：本发明通过水热法和浸渍法两步简单的方法获得了负载量高（5.13 wt%）且分散性好的Ru单原子掺杂双功能电催化剂。本发明的制备工艺简易，能够高效利用贵金属材料并且降低成本，适合于工业化制备电催化剂，解决了目前其他合成技术复杂和成本高而不能满足工业化生产的问题。本发明合成的电催化剂在工业电流密度下具有远优于商业Pt/C、RuO

附图说明

图1为Ru

图2为Ni(OH)

图3为Ru

图4为Ru

图5为Ru

图6为HER电催化测试图。（a）所合成不同催化剂的LSV图；（b）所合成催化剂不同电流密度下的过电位;（c）Ru

图7为OER电催化测试图。（a）所合成不同催化剂的LSV图；（b）所合成催化剂不同电流密度下的过电位;（c）Ru

图8为全电解水电催化测试图。（a）所合成不同催化剂的LSV图；（b）所合成催化剂不同电流密度下的电压;（c）Ru

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，提供了一种Ru单原子掺杂Ni(OH)

步骤一：对泡沫镍进行预处理，先将大小为2 × 4 cm

步骤二：将1.2mmol NiCl·6H

步骤三：将步骤二的混合溶液及预处理后的泡沫镍转移至100 mL聚四氟乙烯反应釜中，在120℃下反应12 h；

步骤四：将上述反应后的泡沫镍分别用去离子水和乙醇冲洗2-4次，然后真空干燥6 h，即可得到所述Ru

步骤五：将得到的Ru

如图2-5所示，图2为Ni(OH)

Ru

本发明的另一个方面，提供了一种根据Ru单原子掺杂Ni(OH)

如图6所示，通过三电极体系测试所制备催化剂的HER催化活性。以Ru

如图6a和图6b所示，所制备的Ru

如图7所示，通过三电极体系测试所制备催化剂的OER催化活性。以Ru

如图7a和图7b所示，Ru

如图8所示，全电解水性能测试。以Ru

如图8a和图8b所示，Ru

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。