飞秒激光诱导碳负载型钌基纳米合金催化剂的可控制备及电催化析氢性能研究

Hydrogen evolution reaction in alkaline media is a significant to achieve scalable industrial hydrogen production. Traditional platinum carbon catalysts are practically limited due to high price, low activity and stability in alkaline media. Ruthenium, which is relatively inexpensive, is an ideal metal to replace platinum in catalytic performance. Alloying Ruthenium with other metals is an essential technical to improve the catalytic performance and stability. In order to solve the problem of controllable in-situ synthesize ruthenium-based multi-alloy catalysts, the project focus on femtosecond laser ablation in liquid, which provides ultra-high temperature and rapid cooling rate, to develop a rapid and green synthesis route to obtain high purity, high activity and ultra-dispersed Ru-based multi-alloy catalysts. In this project, by changing metal precursors, laser parameters and liquid conditions, we expect to realize selective control chemical composition, morphology, structure and catalytic properties of Ruthenium-based catalysts, as well as elucidate the physical mechanism and the growth mechanism of catalysts during laser ablation. It is expected Ruthenium-based alloys with excellent catalytic performance could be obtained, providing theoretical basis and technical guidance to industrial production.

碱性介质电解水析氢是实现工业大规模制氢的重要途径，传统铂碳催化剂由于价格昂贵，在碱液中性能变差，其应用受到限制。价格相对低廉的钌是催化性能上能够代替铂的理想金属，将钌与其他金属合金化是提高催化剂性能和稳定性的重要技术手段。本项目针对钌基多元合金纳米催化剂原位合成困难的问题，利用液相飞秒激光烧蚀中产生局部超高温超高压以及快速冷却的特点，开展超细钌基多元合金纳米粒子催化剂的快速合成和绿色化制备。激光烧蚀制备的纳米粒子同时具有超分散、高纯度、高活性等特点，具有传统方法合成的催化剂无法比拟的优势。本项目将碳纳米材料作为载体，通过改变元素组成、激光条件、液相环境等手段实现碳负载型钌基合金纳米催化剂的结构以及催化性能的选择性调控，通过深入研究飞秒激光与物质相互作用下形成超细纳米粒子的物理机制，期望获得能够取代商用铂碳催化剂，催化性能优异的钌基复合材料，为其最终应用到工业化生产提供理论依据和技术指导。

随着纳米材料在光电子学、生物、能源等方面的发展越来越趋向于多功能化，对纳米粒子的表面纯度、活性与功能性有了更高的要求。飞秒激光作为一种兼具超短脉宽和超高能量密度的工具，可以通过液相加工制备出具有高纯度、无污染、高表面活性的纳米颗粒，调节精细控制材料表面的化学状态实现材料的复合和多功能化。本项目利用液相飞秒激光烧蚀中产生超高温超高压以及快速冷却的特点，实现了超细金属化合物纳米颗粒的快速合成和绿色化制备，主要包括以下方面：.（1）提出一种定向缺陷剪裁的新方法，利用飞秒激光的超快特性对材料的缺陷进行了精确操纵，获得了一系列缺陷诱导的氧化物，碳化物和氮化物纳米颗粒.（2）制备了具有高稳定性和抗氧化性的 CuS等离子体纳米晶，实现了Cu2+到Cu+的价态调控。我们进一步证明了自掺杂缺陷使得这种纳米晶具有很强的局域表面等离子体共振效应。.（3）通过改变元素组成、激光条件、液相环境等手段实现钌镍与钌金合金纳米颗粒，并成功实现了石墨烯为基底的碳载体，具有超分散、高纯度、高活性等特点，明显优于传统方法合成的纳米颗粒，实现了优异的析氢催化性能。.我们将进一步深入研究飞秒激光与物质相互作用形成超细纳米粒子的机制，期望获得一系列性能优异的定制复合材料，推动激光制备纳米颗粒的商业化。