[發明專利]一種氧化鈷催化劑及其制備和應用

在審

• 申請號: 201610818920.3
• 申請日: 2016-09-12
• 公開（公告）號: CN107812522A
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 李燦;陳政;章福祥
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J23/75
• 分類號: B01J23/75;C02F1/72
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 馬馳

一種在水中分散并且用三羥甲基氨基甲烷分子保護的氧化鈷催化劑，其中活性組分為無定形氧化鈷納米顆粒。制備過程：三羥甲基氨基甲烷溶液中攪拌下加入Co(NO₃)₂溶液，使三羥甲基氨基甲烷分子與鈷離子配位，然后室溫攪拌下加入氧化劑H₂O₂，得到無定形氧化鈷納米顆粒，粒徑為2?6納米。該催化劑用于光催化水氧化反應，轉化頻率達到8.7s^–1(31000h^–1)，具有優良的催化性能。

技術領域

本發明涉及催化劑技術領域，尤其是涉及一種高活性的無定形氧化鈷催化劑及其制備方法和在光催化水氧化中的應用。

背景技術

水氧化反應作為人工光合作用體系中電子和質子的來源，涉及4個電子和4個質子的轉移，是制約太陽能轉化為化學能的關鍵因素之一。因此開發高效、穩定、廉價的光催化水氧化催化劑，對于人工光合作用制備太陽能燃料具有十分重要的意義。鈷基化合物作為光催化水氧化催化劑具有廉價、活性較高的特點受到廣泛關注，開發新型高效的鈷基催化劑近年來已取得一些進展。

Fukuzumi等報道了LaCoO₃作為水氧化反應的催化劑，比相應的Co₃O₄催化劑活性更高[Y.Yamada,K.Yano,D.Hong,S.Fukuzumi,Phys.Chem.Chem.Phys.14(2012)5753-5760.]。Dutta等將分子篩負載的Co(OH)₂用于催化水氧化反應中，也取得了較好的催化活性[J.DelPilar-Albaladejo,P.K.Dutta,ACS Catal.4(2014)9-15.]。Wang等制備了平均尺寸僅為3.5納米的Co₃O₄納米顆粒，發現活性比大尺寸的Co₃O₄能夠顯著提高[Xinchen Wang,ACSCatal.3(2013)383-388.]。

綜上所述，鈷基光催化水氧化催化劑已取得一些進展，但活性仍然較低。如何通過對催化劑的結構和尺寸進行調變，從而提高催化劑的活性，還有待進一步的研究。

發明內容

本發明的目的在于發明一種在水中均勻分散的無定形氧化鈷納米顆粒催化劑，該催化劑對光催化水氧化反應具有很高的活性。

本發明的又一目的在于提供一種制備粒徑2-6納米左右的無定形氧化鈷納米顆粒的方法，該方法環境友好，操作簡便。

為實現上述目的，本發明提供的催化劑活性組分為無定形的氧化鈷納米顆粒，用三羥甲基氨基甲烷緩沖液提供弱堿性條件并用H₂O₂作為氧化劑。

本發明提供的一種無定形氧化鈷顆粒的制備方法，其具體步驟為：

在9mL pH值為8-9且濃度為10-100mM的三羥甲基氨基甲烷溶液中，攪拌下加入1mL20-100mM Co(NO₃)₂溶液，使三羥甲基氨基甲烷分子與鈷離子配位，然后攪拌下加入0.05mL3wt％氧化劑H₂O₂，繼續攪拌2-5分鐘，得到無定形氧化鈷納米顆粒。

對本發明提供的催化劑的活性測試方法如下：

光催化水氧化反應：反應器為5mL左右的圓柱形石英池，將一定量的三聯吡啶釕,Na₂S₂O₈,pH值為8-9硼酸-硼酸鈉緩沖液，所述的氧化鈷催化劑，二次水加入到反應器中，反應器與循環水箱相連，溫度保持在20-25℃，光源為鹵素燈并在出光口配備420納米濾光片。反應產生的氧氣用Clark氧電極進行濃度測試分析。

該催化劑用于光催化水氧化反應，具有優良的催化性能。