[發明專利]一種碳包覆鈷的析氧反應電催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 201410305400.3
• 申請日: 2014-06-30
• 公開（公告）號: CN104056630A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 嚴乙銘;肖青青;楊志宇;張玉霞
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B01J23/75
• 分類號: B01J23/75;H01M4/88;B82Y30/00
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技術領域

本發明涉及一種碳包覆鈷的析氧反應電催化劑的制備方法，屬于電化學催化劑的制備領域。

背景技術

電解水生成氫氣和氧氣為儲存太陽能，風能等間歇性能源提供了一種可能的方式。然而，由于析氧反應緩慢的動力學過程，電解水需要的電壓大大高于水分解的熱力學電勢。目前活性最高的析氧反應催化劑是RuO₂和IrO₂，但是這些貴金屬非常稀缺，不能大規模使用。因此，發展高催化活性的非貴重金屬析氧反應電催化劑至關重要。

近年來，過渡金屬氧化物尤其是鈷的氧化物因其資源豐富，催化性能優良而受到廣泛的關注。但與RuO₂和IrO₂相比，這些催化劑仍然存在催化電流密度低，過電位較高，穩定性差等問題，催化劑的合成方法往往也較復雜。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有催化劑存在催化電流密度低、過電位較高、穩定性差問題，提供一種碳包覆鈷的析氧反應電催化劑的制備方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一種碳包覆鈷的析氧反應電催化劑，是由石墨和鈷的氧化物組成的納米復合材料。

一種碳包覆鈷的析氧反應電催化劑的制備方法，具體步驟如下：

步驟一、將鈷鹽和碳源，按摩爾比1:(100～500)的比例關系放入去離子水中溶解混合；然后水浴蒸干，得到粉體；

步驟二、將步驟一所得的粉體，在惰性氣體保護下加熱到400℃～1000℃，恒溫保持30min～120min得到碳包覆鈷單質；

步驟三、將步驟二所得的碳包覆鈷單質，溶解在有機溶劑和萘酚的混合溶液中；有機溶劑和萘酚的混合體積比為(965～995):(35～5)；然后涂在旋轉圓 盤電極上，在0.5V～1.2V的恒電壓條件下，進行電氧化預處理，得到析氧反應電催化劑；

所述的鈷鹽為硝酸鈷、氯化鈷、硫酸鈷；

所述的碳源為尿素、葡萄糖、蔗糖；

所述的惰性氣體為氮氣或者氬氣；

有機溶劑包括甲醇、乙醇、異丙醇、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺。

有益效果

1、本發明的一種碳包覆鈷的析氧反應電催化劑，具有很好的催化性能，是析氧反應(OER)良好的催化劑，過電位為320mV時，電流密度為10mAcm^-2，Tafel斜率達到58mV/dec，并且穩定性優于IrO₂，可以替代RuO₂和IrO₂應用于電催化水分解中。

2、本發明的一種碳包覆鈷的析氧反應電催化劑的制備方法，采用一步高溫煅燒，然后將樣品的溶液沉積在電極上進行原位氧化，步驟簡單、操作方便，采用固態碳源，提高實驗過程中的安全性；鈷源為常見的鈷鹽，成本低。

附圖說明

圖1為實施例1制備的球形碳包覆鈷單質在放大50000倍下的掃描電鏡圖(SEM)；

圖2為實施例1制備的球形碳包覆鈷單質在放大240000倍下的掃描電鏡圖(SEM)；

圖3為實施例1制備的球形碳包覆鈷單質的高倍透射電鏡圖(TEM)；

圖4為實施例1制備的球形碳包覆鈷的析氧反應催化劑在放大10000倍下的掃描電鏡圖(SEM)；

圖5為實施例1制備的球形碳包覆鈷的析氧反應催化劑的透射電鏡圖(TEM)；

圖6為實施例1制備的球形碳包覆鈷的析氧反應催化劑高倍透射電鏡圖(HRTEM)；

圖7為實施例1制備的球形碳包覆鈷的析氧反應催化劑的X射線光電子能譜圖(XPS)；

圖8為實施例1制備的球形碳包覆鈷的析氧反應催化劑與電化學處理后的鈷粉比較得到的阻抗圖；

圖9為實施例1制備的球形碳包覆鈷的析氧反應催化劑與RuO₂和IrO₂的析氧反應性能比較圖；

圖10為實施例1制備的球形碳包覆鈷的析氧反應催化劑與RuO₂和IrO₂的Tafel曲線斜率比較圖；

圖11為實施例1制備的球形碳包覆鈷的析氧反應催化劑與RuO₂和IrO₂，在電流密度為10mAcm^-2的恒電流條件下的穩定性比較圖；

圖12為實施例2制備出來的碳-鈷析氧反應催化劑在放大5000倍下的掃描電鏡圖(SEM)；