RuSe2/CeO2空心碳球异质结构电催化剂的制备方法及应用

本发明属于电催化剂制备及应用领域，具体涉及一种ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂的制备及其在电催化分解水中的析氢应用。

背景技术：

0、技术背景

1、目前已知贵金属铂(pt)是催化水分解析氢反应的最佳催化剂，而由于pt稀缺性且成本高，因而应用受到了限制。作为替代方案，钌(ru)金属，其成本比pt低很多，可以与氢键合，且ru-h键与pt-h键的强度相似。尤其是ru在水解离和oh-化学吸附方面表现出出色的化学性能，以及ru的固有析氢活性，因此ru基催化剂有望用于析氢应用。此外，由于硒的配位模式灵活和电离能低，se与过渡ru配位，离子se-ru键合而带负电，这种状态可以促进质子的吸附从而促进析氢。这种硒修饰的金属催化剂在电解液中具有良好的耐腐蚀稳定性和电子传导性。对于析氢的过渡金属硒化物催化剂，金属原子和硒原子都可以作为氢吸附的活性位点，尤其是富硒催化剂。因此，ruse2可用作高效电催化剂，用于电化学水分解制氢。

2、氧化铈(ceo2)具有高电子/离子电导率、高氧化还原能力和丰富的氧空位。这得益于其丰富的半满和空d轨道以及ce3+到ce4+的灵活转化，这为氧离子交换提供了可能而产生氧空位。此外，ceo2是一种提高催化性能的活化剂，因为它具有多价性质，可用于异质结构界面之间的电子转移；还可提高表面积，丰富表面缺陷，优化催化剂的表面活性位点。虽然纯ceo2的析氢活性比较差，但由于ceo2与其他催化材料可发生协同作用，将显著提高析氢活性。因此本发明引入的ruse2/ceo2异质结构界面将调节电子结构，加速电荷转移并增强活性位点的内在活性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂及其制备方法，并将该电催化剂应用于碱性电解液中电催化分解水制备氢气，具有出色的析氢性能。

2、本发明的技术方案：本发明提供一种ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂，该催化剂的制备方法为：首先通过水热法合成碳球模板，然后在碳球模板上合成ceo2/c前驱体，随后通过热处理依次在n2气氛中和空气气氛中的管式炉内煅烧得到ceo2空心碳球，之后通过水热法在ceo2空心碳球上负载ruse2得到新鲜的ruse2/ceo2空心碳球，最后通过热处理在n2气氛中的管式炉内煅烧得到ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂。

3、具体工艺为：

4、(1)将葡萄糖溶解在去离子水中，搅拌溶解均匀，将溶液转移到聚四氟乙烯密封的高压釜中，然后置于鼓风干燥箱中反应，180℃下保持5h，反应结束自然冷却后，取出产物，并用去离子水离心洗涤直到上清液变得透明，之后置于真空干燥箱中60℃下真空烘干，得到碳球模板。

5、(2)将碳球模板和六水合硝酸铈及尿素溶解于去离子水中，超声溶解均匀，将溶液转移到聚四氟乙烯密封的高压釜中，然后置于鼓风干燥箱中反应，120℃下保持12h，反应结束自然冷却后，取出产物，并用去离子水离心洗涤直到上清液变得透明，之后置于真空干燥箱中60℃下真空烘干，得到ceo2/c前驱体。将ceo2/c前驱体置于n2气氛的管式炉内煅烧2h，随后再置于空气气氛的管式炉内煅烧2h，得到ceo2空心碳球。

6、其中，碳球和六水合硝酸铈及尿素的摩尔比为4：2：5。煅烧温度均为400℃，升温速率为5℃/min。

7、(3)将ceo2空心碳球和se粉末分散于去离子水中，超声分散均匀，随后将一定量的rucl3·xh2o和水合肼依次添加到上述溶液中，搅拌使溶液混合均匀，将溶液转移到聚四氟乙烯密封的高压釜中，然后置于鼓风干燥箱中反应，，反应结束自然冷却后，取出产物，并用去离子水和乙醇依次离心洗涤直到上清液变得透明，120℃下保持12h，然后置于真空干燥箱中60℃下真空烘干，得到新鲜的ruse2/ceo2空心碳球；

8、(4)将新鲜的ruse2/ceo2空心碳球置于n2气氛的管式炉内升温速率为5℃/min，200℃～600℃煅烧2h，最终得到ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂。其中se粉末和rucl3的摩尔比为2：1。ruse2在ruse2/ceo2中的质量比为10％～60％。

9、作为优选：ruse2在ruse2/ceo2中的质量比为40％～60％；最优选的质量比为50％，煅烧温度为400℃。煅烧目的是增强ruse2的结晶度。

10、本发明通过水热法合成碳球模板，然后在碳球模板上合成ceo2/c前驱体，随后通过热处理依次在n2气氛中和空气气氛中的管式炉内煅烧得到ceo2空心碳球，之后通过水热法在ceo2空心碳球上负载ruse2得到新鲜的ruse2/ceo2空心碳球，最后通过热处理在n2气氛中的管式炉内煅烧得到ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂。本发明通过优化ruse2和ceo2的比例得到具有最佳电催化分解水性能的ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂。

11、本发明还提供了一种ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂作为工作电极应用在碱性电解液中电催化分解水制备氢气。

12、本发明还提供了一种ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂应用于电催化析氢性能，该测试方法是使用标准的三电极体系，工作电极为ruse2/ceo2电极，对电极为石墨棒电极以及参比电极为hg/hgo电极，电解液为1mol/lkoh溶液。

13、本发明取得的技术效果是：

14、(1)本发明提供的ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂是通过水热法及热处理制得，该合成方法操作简单，所得产物物相均匀。

15、(2)本发明提供的ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂为球状结构，这种结构为氢气泡和电解质提供了丰富的扩散通道,促进了析氢反应。

16、(3)本发明提供的ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂在1mol/lkoh的碱性电解液中具有出色的析氢性能。在-10ma/cm2的电流密度下表现出-17mv的析氢过电位。

技术特征：

1.一种ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)碳球模板和六水合硝酸铈及尿素的摩尔比为4：2：5；高压反应釜中反应条件为：120℃下反应12h。

3.根据权利要求1所述ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)煅烧温度为400℃。

4.根据权利要求1所述ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)高压釜反应中反应条件为：120℃下保持12h；步骤(3)煅烧温度为400℃，升温速率为5℃/min。

5.根据权利要求1所述ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂的制备方法，其特征在于，ruse2在ruse2/ceo2空心碳球异质结构中的质量比为40％～60％。

6.根据权利要求1-5任一项所述方法制备的ruse2/ceo2空心碳球异质结构电催化剂在电催化析氢中的应用。

技术总结
本发明属于电催化制备及应用领域，具体涉及RuSe2/CeO2空心碳球异质结构电催化剂的制备方法及应用。本发明在碳球模板上合成CeO2/C前驱体，通过热处理煅烧得到CeO2空心碳球，之后通过水热法在CeO2空心碳球上负载RuSe2得到新鲜的RuSe2/CeO2空心碳球，最后煅烧得到RuSe2/CeO2空心碳球异质结构电催化剂。RuSe2和CeO2之间的界面作用有助于表面电荷的快速转移，从而增强了催化剂的电化学性能。由于这种异质结构的协同作用，在碱性环境中表现出了出色的析氢能力。合成的RuSe2/CeO2空心碳球异质结电催化剂具有合成工艺环保简单的优点，具有出色的电催化分解水析氢性能。

技术研发人员：李楠,霍兰兰,马江权,黄良琪,朱斌,董迁,付文华
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14