一种负载钌的氮掺杂碳毡电极及其制备方法和应用与流程

本发明涉及氮掺催化剂，特别涉及一种负载钌的氮掺杂碳毡电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来电化学合成技术蓬勃发展。化学家们开发了许多温和、高效的电化学合成方法。相较于传统的热化学方法，电化学条件下能够通过使用廉价、绿色的电力来实现化合物的氧化和还原，避免了使用昂贵的氧化还原试剂和因使用氧化还原试剂所产生的废物，提高了经济效益和环境效益。此外，化学家们也利用电化学合成技术的独特优势开发出了大量热化学方法难以实现的反应方法。在实验室内和工业上都得到了广泛的应用，促进了有机合成化学的发展。然而电催化和金属催化相结合的研究方法中，面临着金属催化剂难以分离回收，增加产物中金属残余量和金属催化剂成本的问题。因此，开发将金属负载于电极上的异相金属催化剂具有非常重要的意义。此外，异相催化剂中金属可以有非常多的形态，这也有助于新型合成化学方法的开发。

2、虽然电极材料在电催化二氧化碳还原、析氢反应、生物质转化等反应具有广泛的应用。但是这些反应都是以水为溶剂。开发出能够适用于有机溶剂的电极材料仍然具有非常大的挑战，这是鲜有报导的。有机溶剂相对于水具有更强的配位毒性，对催化剂稳定性的要求提高。此外，电极材料制备中广泛使用的nafion溶液涂覆催化剂于载体电极上的方法难以应用于有机体系，因为nafion溶液会溶解于有机溶剂。因此，开发稳定的能够应用于有机合成体系的一体的金属修饰电极具有十分重要的意义。

3、碳毡是一种价格低廉、性质稳定且能够进一步改性的电极材料，是一种理想的电极基底材料。将碳毡作为基底构建高效的电极材料具有很强的应用前景。然而，目前缺少此类研究被报道。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种负载钌的氮掺杂碳毡电极，包括氮掺杂碳毡及其负载的钌；

2、其中，所述氮掺杂碳毡中氮的含量为4wt%-8wt%；

3、所述钌占所述电极质量的0.5wt%-5wt%。

4、进一步地，所述钌由单原子钌和纳米钌组成。

5、本发明也提供了上述的负载钌的氮掺杂碳毡电极的制备方法，包括，

6、将碳毡浸入三聚氰胺和多聚甲醛的混合溶液中进行聚合反应，得到聚合包覆的碳毡；

7、将聚合包覆的碳毡置于保护气氛围下煅烧，得到氮掺杂碳毡；

8、将氮掺杂碳毡浸入钌盐溶液中吸附反应，得到吸附钌盐的氮掺杂碳毡；

9、将吸附钌盐的氮掺杂碳毡作为阴极，电沉积得到负载钌的氮掺杂碳毡电极。

10、进一步地，碳毡、三聚氰胺、多聚甲醛与混合溶液中的溶剂的质量比为1：1-15：1-15：10-50；

11、所述混合溶液中的溶剂包括二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、环戊内酰胺、环己内酰胺、乙二醇中的至少一种；

12、所述聚合反应在110-130℃保持0.5-3h，随后在160-180℃保持24-72h。

13、进一步地，所述煅烧在700-1000℃保温0.5-2h。煅烧使用的保护气可以为稀有气体、氮气中的至少一种。

14、进一步地，所述氮掺杂碳毡、钌盐、钌盐溶液中的溶剂的质量比为1：0.05-0.5：40-60。在本发明中钌盐的种类无需严格限定，满足其具有水溶性即可，示例性地可以为三氯化钌、三溴化钌、醋酸钌、氯钌酸铵中的至少一种，对应溶剂可以为水、乙醇水溶液等，满足钌盐能够在氮掺杂碳毡的吸附即可。

15、进一步地，所述电沉积在电流密度1-40ma/cm2下持续1-20h。

16、进一步地，所述电沉积采用分离式电解池，阴极室和阳极室使用的电解液由电解质、有机溶剂和水配制而成，

17、其中，所述有机溶剂和所述水的质量比为0-9：1；

18、所述电解质的浓度为0.05-0.2mol/l；

19、所述电解质包括氟化钠、四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、四丁基碘化胺中的至少一种；

20、所述有机溶剂包括四氢呋喃、1,4-二氧六环，甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇中的至少一种；

21、所述电沉积的阳极使用惰性材料。示例性地，惰性材料可以选为碳毡、碳棒、碳布、碳纸或铂片。

22、进一步地，将碳毡浸入三聚氰胺和多聚甲醛的混合溶液中进行聚合反应之前，还对碳毡进行预处理；

23、所述预处理包括，

24、将碳毡、三聚氰胺和乙醇以质量比1：1-3：20混合后在60-100℃回流反应，得到预处理碳毡。

25、本发明还提供了上述的负载钌的氮掺杂碳毡电极在有机电化学合成中的应用。

26、相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

27、本发明的负载钌的氮掺杂碳毡电极具有较高的氮掺杂含量、金属钌均匀地形成在氮掺杂碳毡上。同时负载钌的氮掺杂碳毡电极能够在有机溶剂中稳定运行不失活，对于不饱和化合物具有非常好的催化效果。

技术特征：

1.一种负载钌的氮掺杂碳毡电极，其特征在于，包括氮掺杂碳毡及其负载的钌；

2.根据权利要求1所述的负载钌的氮掺杂碳毡电极，其特征在于，所述钌由单原子钌和纳米钌组成。

3.一种如权利要求1或2所述的负载钌的氮掺杂碳毡电极的制备方法，其特征在于，包括，

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，碳毡、三聚氰胺、多聚甲醛与混合溶液中的溶剂的质量比为1：1-15：1-15：10-50；

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧在700-1000℃保温0.5-2h。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂碳毡、钌盐、钌盐溶液中的溶剂的质量比为1：0.05-0.5：40-60。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述电沉积在电流密度1-40ma/cm2下持续1-20h。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述电沉积采用分离式电解池，阴极室和阳极室使用的电解液由电解质、有机溶剂和水配制而成，

9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，将碳毡浸入三聚氰胺和多聚甲醛的混合溶液中进行聚合反应之前，还对碳毡进行预处理；

10.一种如权利要求1或2所述的负载钌的氮掺杂碳毡电极在有机电化学合成中的应用。

技术总结
本发明公开了一种负载钌的氮掺杂碳毡电极及其制备方法和应用，属于氮掺催化剂技术领域，所述电极包括氮掺杂碳毡及其负载的钌，其中，所述氮掺杂碳毡中氮的含量为4wt%‑8wt%；所述钌占所述电极质量的0.5wt%‑5wt%。本发明的负载钌的氮掺杂碳毡电极具有较高的氮掺杂含量、金属钌均匀地形成在氮掺杂碳毡上。同时负载钌的氮掺杂碳毡电极能够在有机溶剂中稳定运行不失活，对于不饱和化合物具有非常好的催化效果。

技术研发人员：步发祥,邓宇琪
受保护的技术使用者：无锡绿能电合科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23